Tartalomjegyzék. Rövidítések jegyzéke Bevezetés Irodalmi áttekintés A gázcserenyílások szerkezete 9

Átírás

1 Tartalomjegyzék Rövidítések jegyzéke 3 1. Bevezetés 6 2. Irodalmi áttekintés A gázcserenyílások szerkezete A gázcserenyílások működése A sztómaműködés szabályozása A sztómanyitódás folyamata A zárósejt kék fény receptora A töltéssel rendelkező ozmoaktív anyagok szerepe A hidroaktív nyitódás ph-tól függő szabályozása A töltéssel nem rendelkező ozmoaktív anyagok szerepe: a szacharóz A sztómazáródás folyamata A sztómazáródás Ca 2+ -függő regulációja A sztómazáródás ph-függő regulációja A protein foszforiláció szerepe; egyéb szabályozási útvonalak ph-függő szabályozási vizsgálat a legprimitívebb K + -csatorna modellrendszerében A Kcv csatorna felfedezése és jellemzése; szerkezeti kapcsolata a növényi K + - csatornákkal A Kcv csatorna működése, elektrofiziológiai tulajdonságai Célkitűzés Anyagok és módszerek A zárósejtek vizsgálata során felhasznált anyagok és módszerek Porométeres mérések Elektrofiziológiai mérések: patch clamp technika Növénynevelés és protoplaszt preparálás Patch clamp whole cell mérések zárósejt protoplasztok esetén 47 1

2 4.2. A Kcv csatorna vizsgálata során felhasznált anyagok és módszerek A HEK sejtvonal fenntartása és a transzfekció lépései Patch clamp whole cell mérések HEK sejtek esetén Eredmények és értékelésük A mérések előzményei, problémafelvetés Sztómarezisztencia meghatározás Növényi piretroid származékok az állati és növényi membrántranszport rendszerekben Elektrofiziológiai mérések izolált zárósejt protoplasztokon Mérési eredmények Az eredmények megvitatása A Kcv csatorna működésének ph-függése A HEK293 gazdasejtben mért Kcv áram A Kcv csatorna extracelluláris ph-függése A Kcv csatorna intracelluláris ph-függése Összefoglalás és következtetések 77 Summary 82 A témával kapcsolatos közlemények 86 Felhasznált irodalom 87 Köszönetnyilvánítás 101 Függelék 102 2

3 Rövidítések jegyzéke AAPK ABI1 ABS AKT1, AKT2, AKT6 BSA [Ca 2+ ] cyt cadpr CCCP CDPK CICR C m CsA CyP DAG DCMU dm DMEM DMSO N-GFP DTT EDTA EGFP EGTA FCS FK506 FV G a GFP g s abszcizinsav-aktivált protein kináz a protein foszfatáz 2C génje abszcizinsav Arabidopsis thaliana Shaker-szerkezetű, feszültség-független kálium csatornái bovin szérum albumin a citoplazma szabad Ca 2+ koncentrációja ciklikus ADP-ribóz karbonil-cianid-m-klorofenilhidrazon Ca 2+ -függő protein kináz Ca 2+ -indukált Ca 2+ -felszabadulás membrán kapacitás cyclosporin A cyclophilin diacil-glicerol 3-(3,4-diklór-fenil)-1,1-dimetil-karbamid deltamethrin Dulbecco s Modified Eagle Medium komplex tápoldat dimetil-szulfoxid a Kcv, N-terminálisa felőli 14 aminosav deléciójával előállított mutáns változata dithiothreitol etilén-diamin-tetraecetsav a zöld fluoreszcens fehérje mutáns változata etilén (bis)oxonitrilo tetraacetát borjúszérum tacrolimus gyors vakuoláris kálium csatorna bemeneti konduktancia vad típusú zöld fluoreszcens fehérje sztómakondunktancia 3

4 HAc az acetát protonált formája HEK humán embrionális vesesejt HEPES N-2-hidroxietilpiperazin-N'-2-etanoszulfonsav I c I i I Kin I Kout IP 3 IRK I ss I t KAT1 KAT2 Kcv K + in K + out KST1 MES NaAc npq1 ORF P P o kapacitív ionáram azonnali áram komponens befelé irányuló kálium áram kifelé irányuló kálium áram inozitol-triszfoszfát befelé egyenirányító, két transzmembrán doménből álló kálium csatornák családja steady-state áram időfüggő áram komponens Arabidopsis thaliana zárósejtjeiben expresszálódó feszültségfüggő kálium csatorna Arabidopsis thaliana zárósejtjeiben expresszálódó feszültségfüggő kálium csatorna a PBCV-1 vírus genomjában felfedezett kisméretű kálium csatorna befelé egyenirányító, feszültség-függő kálium csatorna kifelé egyenirányító, feszültség-függő kálium csatorna Solanum tuberosum zárósejtjeiben expresszálódó, KAT1 típusú kálium csatorna 2-(N-morpholino)-etanoszulfonsav nátrium-acetát a violaxantin de-epoxidáz enzimet kódoló gén mutáns változata nyitott fehérjekódoló szakasz csatorna pórus domén nyitvatartási valószínűség PBCV-1 Paramecium bursaria chlorella vírus 1 PBS foszfát pufferelt sóoldat ph i a citoszol ph-ja PIPES piperazin-n,n -bis(2-etanoszulfonsav) PP1 protein foszfatáz 1 4

5 PP2A PP2B PP2C SKT1 SV TAPS TASK TM TWIK V VK V r protein foszfatáz 2A kalcium-kalmodulin-függő protein foszfatáz 2B, kalcineurin protein foszfatáz 2C Solanum tuberosum zárósejtjeiben expresszálódó, AKT1 típusú kálium csatorna lassú vakuoláris kálium csatorna 3-{[tris(hidroximetil)metil]amino}propanoszulfonsav két pórus doménnel rendelkező kálium csatornák családja transzmembrán domén tandem ismétlődő, kétpórusú, és gyengén befelé egyenirányító kálium csatornák membránfeszültség vakuoláris feszültség-független kálium csatorna reverz potenciál 5

6 1. Bevezetés A zárósejtek a magasabbrendű növények epidermiszének speciális tulajdonságú sejtjei. Két zárósejt, az érintkező felületük középlemezének hasadásával nyílást alkot, mely a növény és a légkör közti gázcserét, a transzspirációt és ezen keresztül a levél hőmérsékletét is meghatározza. Bonyolult anyagcsere, szignál és iontranszport hálózatuk működése függ a külső környezeti paraméterektől, például a fényviszonyoktól, vízellátottságtól és a növény belső fiziológiai állapotától, hormonális hatásoktól, valamint a levél intercelluláris terének szén-dioxid koncentrációjától. Működésük feltárásában kezdetben nagy szerepet kaptak az asszimilációs és transzspirációs rátával, a levél és a talaj vízpotenciáljával valamint a környezettel való viszonyuk matematikai leírásai. A sztómaműködés élettani hátterének kiderítéséhez a növényi elektrofiziológiai mérések is nagymértékben hozzájárultak. Mivel a kloroplasztisz nélküli zárósejtek turgiditás-változását az addig uralkodó keményítő-cukor hipotézis nem tudta magyarázni, azt felváltotta a kálium-malát teória. Az új modellben már a vezető ozmotikum szerepét nem a szacharóz, hanem a kálium jelentette. A nyolcvanas évek közepétől egy új módszer állt a tudomány birtokában: a patch clamp technikának köszönhetően a membrántranszport rendszerek építőköveinek, az ioncsatornák egyedi, kapuzó működése is láthatóvá vált. Az új folt-feszültségzár módszer megoldást jelentett olyan membrántranszport modellek készítésénél, ahol az ioncsatornák extra- és intracelluláris felszínének környezetét a kísérletező szabadon állíthatta. Lehetővé vált a plazmalemmáról illetve más sejtorganellumok membránjáról olyan piciny membránfolt izolálása, melyben egy ioncsatorna foglal helyet, s annak árama rögzített membránpotenciál mellett mérhető. A zárósejtek a viszonylagosan gyors ozmoaktív nyitódásuk miatt már régóta foglalkoztatták a patch clamp laboratóriumokat. Kimutatták, hogy a sztómanyílás méretének 1 µm-es megváltozásakor a zárósejt K + koncentrációja 32 ± 5 mm-lal változik, amit a membrándiffúzió vagy hordozók jelenléte nem magyarázott. Az ioncsatornák létezésére vonatkozó matematikai modellek hamarosan beigazolódtak, mert az egycsatornás mérések segítségével a két fontosabb, nagy áteresztő-képességű K + -csatornát: a kifelé és a befelé egyenirányított K + -csatornát is megtalálták. Az ioncsatornák működésének szabályzó mechanizmusai viszont még ma sem teljesen tisztázódtak. Dolgozatomban két, eddig különállónak vélt szabályozási útvonal 6

7 szoros kapcsolatát tárom fel. A probléma felvetéséhez azonban nem elektrofiziológiai mérések, hanem a balatoni pusztuló, fragmentálódó babás nád illetve az egészséges nádnövény porométerrel regisztrált, sztómaregulációs eltérései vezettek. A sztómanyílások nyitottságát érzékelő, terepi körülmények között is alkalmazható porométer lehetőséget kínált hosszabb és nagyobb időbeli felbontású mérések kivitelezésére. Célunk az volt, hogy megállapítsuk, vajon a babás nád sztómakonduktanciája az egészséges nád normális napi ritmusától eltérően működik-e. Arra gondoltunk, hogy a mezőgazdaságban inszekticidként nagy mennyiségben használt deltamethrin megzavarhatja a sztómaregulációt, s ennek eredményeképpen befolyásolhatja a növény levelének hőmérsékletét, víz és gázcseréjét. A piretroidok csoportjába tartozó deltamethrin állati ioncsatornákra kifejtett hatása alapján úgy gondoltuk, hogy az azokkal strukturális és csatornaevolúciós szempontból is analóg növényi csatornák kapuzását is módosítja. A kapcsolatot még szorosabbra fűzte az a tény, hogy a deltamethrin által gátolt, ioncsatorna deaktiváló protein-foszfatáz 2B, a kalcineurin analógja növényi zárósejtekben, így a patch clamp méréseink során felhasznált modellnövényünkben, a Vicia faba-ban is megtalálható. Célul tűztük ki, hogy a deltamethrin hatásmechanizmusát patch clamp technikával Vicia faba zárósejt protoplasztokon feltárjuk, illetve összehasonlítsuk más kalcineurin blokkoló hatásával. Kíváncsiak voltunk arra is, hogy vajon a deltamethrin rendelkezik-e közvetlen csatornaműködést moduláló hatással, és hogy módosítja-e a kifelé egyenirányító kálium-csatorna erősen ph-függő regulációját. A kálium csatornák ph-függő regulációját nagyobb felbontásban, a napjainkig felfedezett legprimitívebb kálium csatornán (Kcv) vizsgáltuk meg. A csatorna egyszerű szerkezete és működése lehetőséget kínált a ph szenzor helyzetének és működésének kiderítésére. Az ioncsatornát heterológ expressziós rendszerbe helyeztük, gazdasejtnek a humán embrionális vesesejtet (HEK293) választottunk. Korábbi eredményeink szerint a Kcv csatorna HEK293 gazdasejtben expresszáltatva működőképes ioncsatornát alkot. A gazdasejt saját ionáramai nem zavarták a mérést, nagyságuk csak töredéke volt a Kcv csatorna áramának. A kontroll méréseink szerint gazdasejt saját háttérárama nem mutatott ph-függőséget sem, így alkalmas rendszernek bizonyult a Kcv vizsgálatára. Feltételezésünk az volt, hogy a Kcv csatorna ph-szenzorai a pórusrégióban található cisztein (C53) és hisztidin (H61) oldalláncok. Ezek az aminosavak más K + - csatornában bizonyítottan fontos szerepet töltenek be a ph-függő szabályozásban. 7

8 Kutatási célunk az volt, hogy kiderítsük, vajon változik-e a Kcv csatorna árama a külső illetve a belső ph függvényében, a hatás reverzibilis-e, milyen erős a ph-függés, illetve hány ph szenzor modulálja a csatorna kapuzó működését. Bizonyítani kívántuk, hogy a ph szenzorok a fent említett protonálható aminosavak lehetnek. E két fő cél megvalósítása hozzájárulhat a növényi sztómaműködés, illetve az ioncsatorna működés szabályozásának jobb megértéséhez. 8

9 2. Irodalmi áttekintés 2.1. A gázcserenyílások szerkezete A szárazföldi növények több százmillió éves fejlődése során a víz- és gázcseréjüket a vízgőz szén-dioxidnál magasabb permeabilitása határozta meg. A vízvesztés minimalizálása érdekében kutikulával borított epidermisz alakult ki, mely a párologtatást, de ezzel együtt a szén-dioxid felvételét is csökkentette. A növényi szervezet működésének alapvető célja, hogy a növény szén-dioxid igényét alacsony vízveszteség mellett elégítse ki. A szelekciós nyomás hatására az epidermiszben az epidermisz sejtek egyenlőtlen osztódásának következtében, majd a sejtek közötti középlemez hasadásával speciális sejtek jöttek létre, melyek turgor-regulált szelepként viselkedve, a transzspirációt és ezzel együtt az asszimilációt temporálisan is befolyásolhatták. Lehetővé vált, hogy a nap sötét periódusában, a fotoszintézis csökkent szén-dioxid igényével párhuzamosan a szelepek bezárásával a vízvesztést is redukálják. A gáz- és vízcserét szabályzó struktúrák a sztómák, melyek szerkezetileg két speciális tulajdonságú és alakú zárósejtből, és a sejtek által közrefogott térből, a sztóma pórusából állnak. Kétféle sztómatípust ismerünk. A fű- és sásfélékre jellemző típusban a súlyzó alakú zárósejtek mellett két differenciálódott epidermisz sejtet, úgynevezett kísérősejtet találunk, melyek a sztómák nyitódó-záródó működésében játszanak segítő szerepet. A sztóma pórusa hosszú, rés alakú, a sejtmag és az organellumok a sejt két gömbszerű végében találhatók. A kétszikűekre és a néhány egyszikűre jellemző sztómatípusnál a zárósejtek vese formájúak, a pórus elliptikus alakú. A vizsgálataink során használt Phragmites australis az előbbi, a Vicia faba növények ez utóbbi típushoz sorolhatók. A zárósejtek jellegzetes sejtfalszerkezettel rendelkeznek, laterális és a pórus felé néző ventrális irányban nagymértékben vastagodottak. A pórussal ellentétes, dorzális oldalon a fal vékonyabb, és könnyebben megfeszül, mint a ventrális fal. A sejtfalvastagodás mértékéről elmondható, hogy míg a szomszédos epidermisz sejtek falának vastagsága 1-2 µm, addig az említett sejtfalnál 4-5 µm falvastagság mérhető. A zárósejtek nemcsak morfológiájukban, de anyagcseréjükben is különböznek az epidermisz sejtektől. Sejtmagjuk jóval nagyobb, több mitokondriumot is tartalmaznak, és míg az epidermisz sejtekben nem található kloroplasztisz, a zárósejtek csaknem minden növényi fajnál jelentős mennyiségben rendelkeznek vele. A kloroplasztiszok különösen 9

10 gazdagok keményítőben, melynek mennyisége nappal csökken, éjszaka viszont emelkedik, mely ellentétben áll a levél többi sejtjének viselkedésével, ahol pontosan fordítva történik. A zárósejtek és a környező sejtek között ritkán található plazmodezmás összeköttetés, így a külső behatásokkal szemben is ellenállóbbak. A sztómanyitódás során a zárósejtek turgora és térfogata nő, a térfogati növekedés irányát a sejtfalvastagodás mellett a cellulóz mikrofibrillumok radiális elhelyezkedése határozza meg. A vese alakú zárósejteknél a mikrofibrillumok a pórus felé néznek, a sejtek tágulása során a két vese alakú sejt egymásnak feszül, és a pórus kinyílik. Mivel a dorzális oldal vékonyabb, mint a ventrális, a nyitódás során sokkal domborúbb, ettől a ventrális, pórus felöli fal sokkal homorúbb lesz. A súlyzó alakú zárósejteknél a sejt gömbszerű végében található cellulóz mikrofibrillumok a gömb koncentrikus térfogati növekedésének kedveznek, így a két sejt közötti hosszúkás rés szélesedik. A sztómaműködés tanulmányozása során, nemegyszer meg kell mérni a pórus nagyságát különféle környezeti viszonyok között. A mérések lehetnek közvetlen, mikroszkóp alatti megfigyelések, vagy közvetett, párologtatás mérésen alapuló kísérletek. A sztómapórus területe elliptikus rés esetén megközelítőleg egyenesen arányos a gázdiffúzió konduktanciájával. Mivel a rés hossza a nyitódás során nem változik, területe arányos az apertúrával (Vicia faba esetén az arányossági tényező 14,3; n = 346; Raschke 1979). A fűfélék sztómáinál a sztómapórus hossza is megváltozik, a gázdiffúzióval való összefüggés matematikai leírása bonyolultabb. A legtöbb sztómát a leveleken találjuk, de a száron, virágon és bizonyos terméseken is előfordulnak. A levélen vett sűrűségük 1 mm 2 nyi felületen általában között változik. Számuk a levél növekedésének befejeződése előtt kialakul, így a fiatalabb levelek sztómasűrűsége jóval nagyobb az öregebb, nagyobb levelekénél. A nedves körülmények között élő növények átlagos sztómamérete jóval nagyobb a száraz termőhelyen élőkénél, bár jóval kevesebb sztómával is rendelkeznek. A száraz környezetben élő növények nagyobb sztómaszáma azzal magyarázható, hogy a vízstressznek kitett levelek nem terülnek ki teljesen, a transzspirációs ráta így maradhat alacsony szinten. A gázcserenyílások számát jobban jellemzi a sztómaindex, vagyis az egy epidermisz sejtre jutó sztómaszám. 10

11 2.2. A gázcserenyílások működése A zárósejtek multiszenzoros, hidraulikus szelepekként viselkednek, melyek a levél intercelluláris rendszerét nyitják és zárják a környezet felé. A külső környezeti tényezők közül a fény intenzitása és hullámhossza, a hőmérséklet, a relatív páratartalom, az intracelluláris CO 2 koncentráció jól definiált, rendkívül gyors sztómareakciót vált ki. A sztómák nyitódása és záródása során a zárósejtek membránjain élénkülő iontranszport, a sejtben anyagcsere változások mutathatók ki. A nyitódás során a zárósejtben emelkedik az ozmotikusan aktív anyagok mennyisége, ezzel párhuzamosan a sejt ozmotikus potenciálja csökken. A növekvő vízpotenciál gradiens mentén, a féligáteresztő sejtmembránon a vízmolekulák befelé áramlanak, a sejt térfogata növekszik. A zárósejtek falának elasztikus sajátságai miatt, a sejttérfogat a kiindulási érték %-ára is emelkedhet, a megnyúlási folyamat reverzibilis. Érdekességképpen említhető, hogy az epidermisz és a parenchima sejteknek legfeljebb 15%-kal növekszik a térfogatuk a határplazmolízis és a turgeszcens állapot között. Az epidermisz réteg eltérő mértékben növekvő szerkezeti elemeit a kísérősejtek kapcsolják össze, amelyek elasztikus pufferként viselkedve lehetővé teszik a sztómák epidermiszbe ágyazódását. Térfogatváltozásuk hozzájárul a sztómák szabályozásához, ám a zárósejtekkel ellentétben a magasabb turgoruk a gázcserenyílások záródását segíti. A sejtfal nyúlásával a falnyomás potenciál emelkedik, a vízpotenciál különbség eltűnik, és kialakul egy új egyensúlyi állapot. A záródási folyamat során a sejt ozmotikus potenciálja nő, és a sejt a sztómanyitódással ellenkező módon vizet veszít. A növények tehát a vízveszteség csökkentése mellett a fotoszintézis számára megfelelő mennyiségű szén-dioxidot igyekeznek biztosítani. A folyamat hatékonyságát a transzspirációs rátával lehet jellemezni, melyet az elpárologtatott víz és a fotoszintézisben asszimilált szén-dioxid mennyiségének a hányadosa ad. A fotoszintézis C 3 -as útját követő növényeknél a transzspirációs ráta 500 körüli értéknek adódik. A víz efflux szén-dioxid influxhoz képesti magas aránya két okra vezethető vissza. Az egyik tényező, hogy a vízvesztést hajtó koncentráció gradiens körülbelül 50-szer nagyobb, mint a CO 2 influxot alakító gradiens, ami a CO 2 levegőben mért alacsony koncentrációjára (mintegy 0,036 %) és a levél intracelluláris járataiban lévő magas vígőz koncentrációra vezethető vissza. A másik ok, hogy mivel a CO 2 molekula nagyobb, mint a vízmolekula, a levegőben körülbelül 1,6-szor lassabban diffundál. Emellett a diffúziós útja is hosszabb, hisz a CO 2 a plazmalemmán, a citoplazmán és a kloroplasztisz membránján is át kell, hogy keljen a 11

12 beépülés helye felé. Hatékonyabb vízfelhasználás mellett működnek a fotoszintézis C 4 -es útját követő növények, ahol az arány körülbelül 250. Sőt, a száraz környezethez alkalmazkodott CAM-típusú növények, ahol a sztómaműködés cirkadián ritmusa a C 3 -as növényekhez képest félperiódusnyival eltolódott, az arány 50-nek adódik. A víz és a CO 2 diffúziós útjában a gázcserenyílások mérete jelenti a legnagyobb ellenállást. A fotoszintézis CO 2 limitációjának, vagy akár a párologtatás mértékének meghatározásakor a sztómaellenállás mellett nem szabad figyelmen kívül hagyni a levelet körülvevő határréteg, a kutikula, valamint a levél intercelluláris járatainak ellenállását sem. A határréteg ellenállása a sztómák feletti levegőréteg mozdulatlanságából adódik, nagysága függ a levél szerkezetétől és méretétől, valamint a szél sebességétől is. A szárazföldön élő edényes növények már több mint 400 millió éve a kutikulájuk segítségével védekeznek a kiszáradás ellen. A kutikula élettani jelentősége a vízveszteség mértékének szabályozásában van, a növények méretbeli növekedését is ez tette lehetővé. A természetben és a kísérleti körülmények során előidézett, szárazságstressz után mért levélkonduktancia minimumok között nagy eltérés mutatkozik (Körner, 1994). A tanulmányokból kiderült, hogy a kutikuláris permeáció egy-két nagyságrenddel kisebb, mint a sztómakonduktancia. A sztómatranszspiráció során a vízmolekulák a sejtek közti gázfázisú térből a sztómapóruson keresztül a levegőbe diffundálnak. A kutikulán keresztül a víznek a kutikula lipofil közegén, a sejtfal szilárd felületén és végül a kutikuláris réteg külső felszínén kell átjutni (Lendzian és Kerstiens, 1991). A kutikuláris réteg inhomogén. Mátrixa poliszacharid mikrofibrillumokból és egy vagy több lipofil polimerből (kutin, kután) áll. A viaszok a kutikula rétegében doménszerűen helyezkednek el, a diffundálódó molekulák mozgását eltérő mértékben gátolják, melyek diffúziós útja a domének körül véletlenszerű. A legfőbb diffúziós gátat mégis a kutikula külső felszíne jelenti, melyet határoló kéregnek neveznek (Schönherr és Riederer, 1989). A sztómák zárt állapota mellett mért konduktancia megközelítőleg egyenlő a kutikula permeációs értékével. A sztómakonduktanciát befolyásoló külső tényezők közül a fény, a CO 2, a vízhiány és a hőmérséklet hatása a legfontosabb. A zárt sztómák fény hatására néhány perc alatt nyitódnak, újra sötétbe helyezve másodpercek alatt elkezdenek bezáródni. A záródási effektust viszont nehéz különválasztani a CO 2 koncentráció emelkedésével járó sztómazáródással, hisz fény hiányában a CO 2 felhasználás lecsökken, mennyisége a levél sejt közötti járataiban emelkedik. A közvetlen fényhatást izolált, konstans CO 2 tartalmú levegőn tartott epidermiszen vizsgálták. A fény hullámhosszát változtatva kiderült, hogy a 12

13 fehér fény sztómanyitó hatása mellett a vörös és a kék fény is nyitódást okoz. A vörös fénnyel kezelt sztómák nyitódása a fotoszintézis szerepére utalt, bár a nyitódás mértéke elmaradt a fehér fénnyel kezelt sztómákétól. Ha viszont a fotoszintézist telítő vörös fény mellett kék fénnyel is megvilágították a sztómát, további nyitódást észleltek. Mivel további sztómanyitódást már nem lehetett vörös fénnyel kiváltani, világossá vált, hogy más mechanizmus, szignál-átviteli út is létezik (1. ábra). 1. ábra A sztómanyílás méretének megváltozása kék fény hatására, vörös háttérfény alkalmazása esetén. Kontrollként csak vörös fénnyel kezelt sztómákat láthatunk ( ), a kék fénnyel való megvilágítás kezdetét a nyíl mutatja ( ). A méréseket Commelina communis növényeken Schwartz és Zeiger (1984) készítette. Ha a növényeket szén-dioxid-mentes levegőbe helyezik, a sztómák sötétben is kinyílnak, de a klímakamrában az átlagos légköri CO 2 -koncentrációnál magasabb szintet alkalmazva a sztómák fényben is bezáródnak. A kísérletek szerint, a sztómák alatti intercelluláris járatok CO 2 koncentrációjának nagyobb szerepe van a gázcserenyílások működésében, mint a levelet körülvevő levegőben fellelhető szén-dioxidnak. Hervadás esetén, ha az elpárologtatott víz mennyisége sokáig meghaladja a felvett víz mennyiségét a gázcserenyílások bezáródnak. Mivel a környező epidermisz és kísérősejtek kezdeti vízvesztése gyorsabb a zárósejtekénél, a zárósejtek átmeneti duzzadása figyelhető meg. A későbbi öntözéssel, sőt a levelek turgorának teljes visszanyerése után sem találunk nyitott sztómákat. Ennek oka a levelekben felszaporodó növényi hormon, az abszcizinsav sztómazáró tulajdonsága; a hormon szintje csak napok múlva csökken a kiindulási értékre (Wright és Hirton, 1969). 13

14 A hőmérséklet hatása nem a sztómanyílás méretét, hanem a nyitódás-záródás sebességét befolyásolja. A magas hőmérséklet hatása azonban összetett, mert a fotoszintézis sebessége és ezáltal a CO 2 felhasználás csökken, és az intercelluláris járatokban felszaporodó CO 2 sztómazáródást indukál A sztómaműködés szabályozása A hidroaktív sztómaműködésért a zárósejtekben időszakosan felhalmozódó ozmotikumok a felelősek. Az ozmoaktív anyagok mibenlétére vonatkozó kezdeti feltevések szerint, a turgorváltozás a keményítő-cukor átalakulás következménye. A keményítő-cukor hipotézist a zárósejtek kloroplasztiszaiban található, nagy méretű keményítőszemcsék méretének megváltozására alapozták: sztómanyitódás során a keményítő mennyisége csökkent, záródáskor növekedett. A keményítő nagy molekulasúlyú, vízben oldhatatlan glükóz-polimer molekula, mely a sejt ozmotikus potenciáljához nem járul hozzá, de a cukrokra való hidrolízise után a zárósejt ozmotikus potenciálját lecsökkenti. Ezzel ellenkezőleg, a sztómák záródásakor a keményítő szintézis csökkenti a cukor koncentrációját, növeli a sejt ozmotikus potenciálját. Fél évszázaddal később, a membrán iontranszport folyamatainak feltárása kezdetén, a sztómaműködés során mért óriási kálium influx és efflux jelensége háttérbe szorította a korábbi feltételezéseket (Outlaw, 1983). A kálium-malát hipotézis szerint a sztómanyitódásért a zárósejtbe transzportálódó kálium és a sejtben szintetizálódó ellenion, a malát ion a felelős. Sztómazáródás során kálium efflux és a malát ionok mennyiségének csökkenése tapasztalható, ezzel a sejt ozmotikus potenciálja emelkedik. A zárósejtek kálium koncentrációjának napi követése fontos következtetésekre vezetett. Megállapították ugyanis, hogy a kora reggeli órákban, a sztómák nyitódásával párhuzamosan a kálium koncentrációja emelkedik, de kora délután zuhanni kezd, noha a sztómák csak jóval később záródnak. A zárósejtek szacharóz koncentrációja ezzel szemben a déli órákban kezd emelkedni, és a kálium csökkenéssel párhuzamosan a vezető ozmotikummá válik. Mennyisége a nap végén a sztómanyílás méretével együtt csökken (2. ábra; Talbott és Zeiger, 1998). 14

15 2. ábra A sztómanyílás mérete ( ), a zárósejtek K + ( ) és szacharóz ( ) tartalma az idő függvényében, Vicia faba növény esetén (Talbott és Zeiger, 1998). A kálium tartalmat a Fischer-féle hisztokémiai módszerrel (Fischer, 1971), a szacharóz koncentrációt HPLC technikával mérték. A sztómaműködés szabályozása tehát két, jól elkülöníthető részre osztható: az egyik a napfelkeltével összefüggő útvonal, melyben a kálium az ozmotikusan aktív összetevő, a másik a szacharóz által meghatározott útvonal, mely a mezofill sejtek fotoszintetikus aktivitásával is összefüggésben áll. A szacharóz mennyiségének csökkenése a nap végén a sztómák záródásához vezet. A két szabályozási útvonal négyféle anyagcsere folyamat eredőjeként származtatható: (a) a malát bioszintéziséhez kötött K + és Cl - felvétele, (b) a keményítő szacharózzá való hidrolízise, (c) a zárósejt kloroplasztiszaiban a fotoszintetikus úton történő szacharóz produkció, (d) a mezofill sejtek fotoszintéziséből származó, apoplasztikus szacharózfelvétel. 15

16 A sztómanyitódás folyamata A fehér fény kék és vörös összetevőinek sztómanyitódásért felelős szerepét áttekintettük. A szabályozás hátterében két különálló rendszer áll, melyet könnyen igazoltak azzal a kísérlettel, miszerint a fehér fénnyel megvilágított, és DCMU (3-(3,4-diklór-fenil)-1,1- dimetil-karbamid) fotoszintetikus elektrontranszport lánc gátlóval kezelt sztómák csak részben nyitódnak ki. Kék fénnyel megvilágított zárósejt protoplasztok megduzzadnak, jelezve, hogy a kék fény szignál receptora a zárósejtben található. Ha a fotoszintézist telítő erősségű, vörös fénnyel megvilágított protoplasztokat alacsony intenzitású, kék fénnyel világítják meg, az extracelluláris tér savanyodása tapasztalható. A kék fénytől függő extracelluláris savanyodás a H + -ATPáz blokkolóival (pl. vanadáttal) gátolható, az elektrogén protonpumpa aktivitás patch clamp technikával is kimérhető. Amikor a zárósejt protoplasztokat a plazmamembrán H + -ATPázát aktiváló fusicoccin-nal kezelték, a patch clamp mérések kifelé irányuló áramnövekedést jeleztek. A fusicoccin aktiváló hatása membrán szétkapcsoló proton ionoforral, jelen esetben CCCPvel (karbonil-cianid-m-klorofenilhidrazonnal) megszüntethető (3. ábra; Serrano és mtsai., 1988). 3. ábra A H + -ATPáz aktivátor fusicoccin kifelé irányuló áramot stimulál. Az áramot a proton ionofor CCCP megszünteti. A mérés patch clamp technikával, zárósejt protoplasztokon készült. (Serrano és mtsai., 1988). A fusicoccin kezelés sztómanyitódást, a CCCP pedig sztómazáródást indukált. A telítő vörös fény hátterére épülő kék fény impulzusok szintén emelték a kifelé irányuló ionáramot, míg vörös fény impulzusokkal ilyen jelenséget nem tapasztaltak (Assmann és mtsai., 1985; Gotow és mtsai., 1985; Schroeder, 1988; Shimazaki és mtsai., 1986), tehát a protonpumpa aktiváció specifikus kék fény válaszként értelmezhető (4. ábra). 16

17 4. ábra A zárósejt protoplasztokat kék fényimpulzussal kezelve a plazma-membránon kifelé irányuló áramot mértek. A mérés patch clamp technikával készült (Assmann és mtsai., 1985). A kék fénytől függő sztómanyitódás követi a reciprocitás törvényét, miszerint a folyamat kiváltása az alkalmazott fény dózisától függ, nem pedig külön a fény intenzitásától vagy külön a megvilágítás időtartamától. Ennek élettani jelentősége abban áll, hogy a sztómák nyitottsága a receptorokra érkező fotonok számával, a levélfelszínre jutó fénymennyiséggel arányos. A kék fénytől függő válasz másik sajátsága az impulzusok és a válasz között mért időkülönbség, mely mind az extracelluláris savanyodás, mind pedig a kifelé irányuló áramnövekedés esetén mintegy 25 másodpercnek adódott. A késés a percepció és a válasz közti szignál-transzdukciós kaszkád működésének következménye A zárósejt kék fény receptora A zárósejtek kék fény receptoraként a kloroplasztisz membránjában lévő karotinoid molekulát, a zeaxantint azonosították. Bizonyítékul a kék fény stimulálta sztómanyitódás akciós spektruma és a zeaxantin abszorpciós spektruma közti egyezőség (Karlsson, 1986), és a zárósejtek zeaxantin tartalmának napi változása szolgált. A zárósejtek xantofill-ciklusa különbözik a mezofill sejtekétől. Mezofill sejtekben a zeaxantin elsősorban fotoprotektív szerepet tölt be. A ciklus során a violaxantin zeaxantinná alakul, így a túlzott gerjesztési energia hő formájában disszipálódik, és kevésbé károsítja a fotoszintetikus apparátust. A kora reggeli órákban, az erős fény hiánya miatt a zeaxantin tartalom minimális. Zárósejtekben, a fotoprotektív funkción túl szerepet játszik a szignál-átvitelben is. Mennyisége ezért a kora reggeli órákban is sokkal magasabb, mint a mezofill sejtekben, 17

18 bár a fotoprotektív szerepre ekkor még nincs szükség. A violaxantin de-epoxidáz dithiothreitollal (DTT) való blokkolása után a violaxantinból nem alakul zeaxantin, ezzel a kék fénytől függő sztómanyitódás tökéletesen gátolható. További bizonyítékként szolgál az Arabidopsis npq1 (nonphotochemical quenching) mutánsa, melyben a de-epoxidáz enzim nem működik (Zeiger és Zhu, 1998), így a zeaxantin hiányos mutánsok sztómái a kék fény hatására nem nyitódnak. A kék fény receptor aktivációja és a protonpumpa működésének fokozódása közti szignál-transzdukciós kaszkád elemei csak részben felderítettek. A két fotorendszer antennaágyában elhelyezkedő zeaxantint a kék fotonok gerjesztik. A szenzitivitás a zeaxantin készlet nagyságától, közvetve a tilakoid membránban lévő violaxantin deepoxidáz enzim aktivitásától függ. Az enzim a kloroplasztisz lumenje felé néz, ph optimuma savas tartományban, ph 5,2-nél található (Yamamoto, 1979). A fotoszintetikus elektrontranszport protonokat pumpál a lumen felé, a tilakoid membrán két oldala közti protonkoncentráció-különbség ATP szintézisére használódik fel. Ha az ATP felhasználás gyengül, csökken az ADP és az ortofoszfát mennyisége. A H + -ATPáz aktivitása a szubsztrát hiánya miatt gyengül, így a lumen protonkoncentrációja emelkedik, és a zeaxantin képződése felgyorsul. A zárósejtek mezofill sejtektől magasabb zeaxantin tartalma azzal magyarázható, hogy a fotoszintetikus elektrontranszport lánc működése jóval gyorsabb a fotoszintézis szénfixációs mechanizmusnál, így alacsony fényintenzitáson is erősebb lumensavanyodás tapasztalható. A sztómaműködés CO 2 -tól és a vörös fotonoktól való függése is a zeaxantin mennyiségével áll kapcsolatban. A magasabb CO 2 koncentrációra bekövetkező sztómazáródás során az ATP felhasználódásának növekedésével a lumen ph-ja nő, és a zeaxantin mennyisége csökken. A zeaxantin készlet redukciója több lépcsőn keresztül a plazmamembrán proton pumpájának aktvitását mérsékli, így a sztómanyílás mérete csökken. A kék fénytől függő sztómanyitódás erőssége arányos a vörös háttérfény intenzitásával. Mivel a vörös háttérfény gyorsítja a fotoszintetikus elektrontranszport láncot, erősebb lumensavanyodás és zeaxantin produkció következik be, mely a plazmamembrán protonpumpáját aktiválva, tovább növeli a sztómanyílás méretét. Érdemes megjegyezni azonban, hogy bizonyos esetekben, például a Paphiopedilum orchidea kloroplasztisz nélküli zárósejtjeiben, a kék fénytől függő sztómanyitódás mellett fotoszintézis-függő nyitódást nem tapasztaltak. Ehelyett, a gyenge zöld és a vörös fény 18

19 okozott reverzibilis, távoli vörös fénnyel megfordítható nyitódást, mely a kriptokróm rendszer mellett a fitokróm rendszer szabályzó szerepére utalt (Talbott és mtsai., 2002). A zeaxantin aktiváció és a plazmamembrán protonpumpája közti kapcsolat feltárása még napjainkban is a kutatás tárgyát képezi. Az egyik lehetséges magyarázat szerint, a zeaxantin kék fotonokkal való gerjesztésével nemcsak a kromofór, hanem a receptor apoprotein szerkezete is megváltozik. A konformációs változás - egy eddig még felderítetlen másodlagos hírvivővel - a kloroplasztisz membrán Ca 2+ -ATPázát aktiválja. A Ca 2+ -ATPáz a citoszolból Ca 2+ ionokat pumpál a kloroplasztiszba, és a citoplazma Ca 2+ koncentrációját csökkentve, serkenti a plazmamembrán Ca 2+ -függő H + -ATPázának működését (Kinoshita et al., 1995). Kutatások folynak továbbá a kaszkád citoszolikus elemeinek felderítésében, például a proteinek funkciójára vonatkozóan is, hisz a kék fény a H + -ATPáz C- terminálisának foszforilálásán és a foszforilált treonin aminosavhoz (Thr950) kötődő proteineken keresztül serkenti annak működését (Kinoshita és Shimazaki, 2002). A fusicoccin protonpumpa stimuláló hatását (Blatt, 1988) a protein és a H + -ATPáz komplexének stabilizálásán keresztül éri el, akár defoszforilált treonin oldallánc esetén is (Baunsgaard és mtsai., 1998; Fullone és mtsai., 1988) A töltéssel rendelkező ozmoaktív anyagok szerepe A sztómanyitódás során a zárósejtbe kálium ionok áramlanak és a kálium koncentrációja növényi fajtól és a kísérleti körülményektől függően 100 mm-ról mm-ra emelkedik. A nagy mennyiségű, kálium ion okozta pozitív töltéstöbblet klorid és malát anionokkal ellensúlyozódik. A klorid fluxus iránya a kálium ionok mozgásával megegyezik, sztómanyitódáskor befelé, záródáskor a sejtből kifelé mutat. A malát a zárósejtek citoplazmájában szintetizálódik, szénváza a keményítő hidrolíziséből származik. Citoplazmatikus koncentrációja hasonlóan a kálium és a klorid ionokéhoz a sztómanyitódás során nő, záródáskor csökken, amely vagy az apoplasztikus térbe való kiáramlás vagy a sejtlégzésben való felhasználódás következménye. Az ionok mozgását a zárósejt plazmamembránjában, nagy sűrűségben jelen lévő H + -ATPáz (Becker és mtsai., 1993) működésével kialakuló protonmozgató erő hajtja. A proton extrúzió mértékét jól jelzi, hogy a megvilágítás hatására a kálium Nernstpotenciáljánál negatívabb, körülbelül mv-os hiperpolarizáció és 0,5-1 ph egységnyi ph gradiens alakul ki (Assmann és mtsai., 1985; Blatt, 1988; Lohse és Hedrich, 1992; 19

20 Roelfsema és mtsai., 1998). A protonmozgató erő elektromos komponense biztosítja a kálium ionok passzív felvételét, mely feszültségfüggő, befelé egyenirányított K + - csatornákon keresztül valósul meg (Assmann és Haubrick, 1996; Grabov és Blatt, 1998a; Thiel és Wolf, 1997; Zimmermann és mtsai., 1999). A Cl - felvételét Cl - -H + -szimporter segíti elő. Mivel az apoplaszt K + koncentrációja a nyitódás során körülbelül 15 mm-ról 3 mm-ra csökken (Felle és mtsai., 2000; Szyroki és mtsai., 2001), a citoplazmáé viszont 100- ról 400-ra emelkedik (Raschke, 1979), a sztómanyitódás eredményeként a K + Nernstpotenciálja (E K ) -60 mv-ról -130 mv-ra csökken. Az E K változásától függetlenül, a befelé egyenirányító kálium csatornák feszültség-érzékenysége nem változik (Blatt, 1992; Brüggemann és mtsai., 1999). Ám a megvilágított, intakt sejtben mért -112 mv-os nyugalmi membránpotenciál és a -130 mv-os reverzpotenciál közti kisebb különbség egyre gyengülő, befelé irányuló K + -áramot (I Kin ) eredményez. A zárósejtek feszültségfüggő K + -csatornái az ozmoszenzoros hidroaktív szabályozás részét is képezik (MacRobbie, 1995). A zárósejtet hipotóniás környezetbe helyezve a befelé egyenirányító, feszültségfüggő K + -csatornák aktiválódnak, míg a kifelé egyenirányító K + -csatornák működése deaktiválódik. Hipertóniás környezetben az aktiváció és deaktiváció pontosan fordítva történik. Az egycsatornás adatok elemzése szerint az új ozmotikus kondíciók a csatornák nyitási frekvenciáját változtatták meg (Liu és Luan, 1998), és az I Kin jól korrelált aktin filamentumok szerveződési mintázatával is. Az aktin filamentumok bizonyítottan szerepet játszanak a növényi sejtek ioncsatorna aktivitásának szabályozásában. Zárósejtekben az aktin filamentumok depolimerizálódását okozó cytochalasin D serkenti az I Kin áramot, és sztómanyitódást okoz. Az aktin filamentumok stabilizálódását eredményező phalloidin mind az I Kin áramot, mind a sztómanyitódást gátolja (Hwang és mtsai., 1997) A hidroaktív nyitódás ph-tól függő szabályozása A befelé irányuló K + -áramot tehát a protonpumpa működése tartja fenn, de nem csupán a transzportfolyamat energiaigényének biztosításával. A befelé egyenirányított kálium csatornák feszülség-érzékenysége, sőt a plazmamembránban lévő ioncsatornák száma ugyanis függ a külső környezet ph-jától; az apoplasztikus tér savanyodása gyorsítja a kálium felvételét (Blatt, 1992; Dietrich és mtsai., 1998; Hoth és mtsai., 1997a; Ilan és mtsai., 1996). Számítások szerint, ha a csatornában egy titrálható, ph-érzékeny oldalt 20

21 feltételeznek, a pk a értéke 5,3-nak adódik, mely jól illeszkedik az apoplaszt sztómanyitódás során mért ph tartományába (Vicia faba esetén, Ilan és mtsai., 1996). A zárósejtek kálium felvétele tehát nem csupán a protonpumpa működésétől, de az apoplaszt pufferkapacitásától is függ. A zárósejtek befelé egyenirányító, feszültségfüggő K + -csatornái közül a Solanum tuberosum zárósejtjeiben expresszálódó KST1 és az Arabidopsis thaliana-ból klónozott homológ, a KAT1 mutációs analízise hasznos eredménnyel szolgált a ph-függő reguláció megértésében. A KST1 és a KAT1 csatornák a Shaker-típusú növényi K + -csatornákhoz tartoznak (5. ábra; Ache és mtsai., 2000). 5. ábra A Shaker típusú növényi kálium csatornák filogenetikai fejlődése (Ache és mtsai., 2000). A növényi Shaker-csatornák alegységeinek meghatározó elemei a hat transzmembrán domén, az ötödik és hatodik szegmens közt elhelyezkedő pórus régió és a citoplazma felőli N- és C-terminális szakasz (6. ábra; Becker és mtsai., 1996; Dreyer és mtsai., 1998; Hoth és mtsai., 1997b; Marten és Hoshi, 1997; Nakamura és mtsai., 1997; Uozumi és mtsai., 1998). 21

22 6. ábra A homotetramer szerkezetű növényi Shaker csatornák egy alegységének szerveződése. S1, S4 transzmembrán domének, P pórus régió. Az ioncsatornát négy azonos alegység összekapcsolódása alkotja. A Xenopus oocytákban, heterológ módon expresszált csatornák megtartották feszültség-függőségüket, kinetikájukat és szelektivitásukat, sőt a természetes környezetükben mérhető phérzékenységük is megőrződött. A ph érzékelésében az S3-S4 domént összekötő szakaszt vélték felelősnek. A szerkezetének megváltoztatása igazolta a feltételezést, mert a szakasz két hisztidin aminosavának alaninra történő cseréje után a mutáns csatorna elvesztette ph-függőségét (Hoth és mtsai., 1997a). További kísérletek arra engedtek következtetni, hogy a ph szenzor kapcsolatban áll az S4-es, feszültségérzékelő doménnel (Hoth és Hedrich, 1999a). A külső savanyodáshoz hasonlóan, az intracelluláris H + koncentráció emelése is sztómanyitódást okoz, ami az auxin indukált sztómanyitódás esetén is tapasztalható (Gehring és mtsai., 1990; Irving és mtsai., 1992). Az auxin indukált intracelluláris savanyodás aktiválja a zárósejtek befelé transzportáló K + -csatornáját (Blatt és Thiel, 1994; Grabov és Blatt, 1997; Thiel és mtsai., 1993), mely az oocytákban expresszáltatott KAT1 csatornák esetében is kísérletesen igazolható. A sztómanyitódásnál azonban nemcsak egyféle K + -csatorna típus működik. A KAT1 knock-out mutáns Arabidopsis növények sztómanyitódása erre bizonyítékot is szolgáltatott, mert a mutáns sztómák fény és alacsony CO 2 szint hatására nyíltak, abszcizinsav hatására záródtak, hasonlóan a vad típusú sztómákhoz (Szyroki és mtsai., 2001). A KAT1 defektust kompenzáló ioncsatornák között, az izolált Arabidopsis zárósejt protoplasztokon végzett RT-PCR vizsgálatok további K + -csatorna transzkriptumokat azonosítottak (Szyroki és mtsai., 2001). Megjelent például az Arabidopsis feszültségfüggő K + -csatornája, a KAT2 (Pilot és mtsai., 2001), sőt a Shaker-típusú K + -csatornák AKT1, AKT2/3 alcsaládjába tartozó, feszültség-független csatornák is (AKT5, AKT6). 22

23 A KAT1 és az AKT1 családba tartozó csatornák ph függése eltérést mutat. Az AKT1 csatornák esetében (AKT1, AKT3) mint az extracelluláris, mind pedig az intracelluláris savanyítás aktivitás-csökkenéshez vezet (Lacombe és mtsai., 2000), míg a KAT1 csatornák esetében (KAT1, KST1, SKT1) a savanyítás a csatornákat aktiválja. Mivel az AKT1 családba tartozó kálium csatornák feszültség-függetlenek, a ph változás a konduktanciát (Marten és mtsai., 1999), KAT1 csatornák esetében viszont a kapuzás feszültség-függőségét változtatja meg (Hoth és mtsai., 1997). A szabályozáson kívül a ph szenzor lokalizációjában is eltérések mutatkoznak. A KST1 csatorna extracelluláris ph-függésében valószínűleg az S3 és S4 közötti szakaszon található hisztidin (H160), valamint a csatorna pórusrégiójában lévő hisztidin, illetve aszparagin (H271, N274) játszik szerepet (Zimmermann és mtsai., 1998; Hoth és mtsai., 1997; Hoth és Hedrich, 1999). A pórusrégióban lévő hisztidin bizonyos mutációi hatására a csatorna ph-függése vagy tovább erősödött (H271D), vagy éppen az ellenkezőjére változott (H271R). A KAT1 csatorna esetében a pórusrégióban lévő hisztidin mutációja (H267A) nem befolyásolta a csatorna ph-függését, a hisztidinhez közeli, szintén a pórusrégiót alkotó aszparagin mutációja azonban az ioncsatorna ph-függését megfordította (Hoth és Hedrich, 1999). Az intracelluláris oldali ph változtatása során mutáns KAT1 csatornák analízisével megállapították, hogy az intracelluláris ph érzékelésében feltehetően az S3 és S4 közötti linker szakaszon található hisztidin (H118) vesz részt (Tang és mtsai., 2000). A KST1, illetve az AKT3 csatornák - pórusrégió-csere útján létrehozott - kiméráinak ph-függését vizsgálva úgy találták, hogy az extracelluláris ph-függés szenzora az egyes csatornák pórusrégióiban lokalizálódik. A megfigyelést az az eredmény támasztotta alá, hogy az extracelluláris ph változtatására az AKT3/(p)KST1, illetve a KST1/(p)AKT3 kimérák rendre a vad típusú KST1, illetve AKT3 tulajdonságait mutatták (7/A ábra). Az intracelluláris ph változtatására viszont az AKT3/(p)KST1, illetve a KST1/(p)AKT3 kimérák rendre a vad típusú AKT3, illetve KST1 tulajdonságait mutatták, tehát az intracelluláris ph érzékeléséért felelős elem a pórusrégión kívül esik (7/B ábra; Hoth és munkatársai, 2001). Kísérleteinkben az ioncsatornák ph-függését az eddig felfedezett legprimitívebb kálium csatornában, a Kcv csatornában is megvizsgáltuk. A csatorna kicsiny mérete, így a szabályzó régiók kis száma a ph-szenzor elhelyezkedését, működésének feltárását megkönnyítette. 23

24 7. ábra A kiméra-csatornák ph-függése. (A) A kiméra-csatornák külső ph-függése. AKT3/(p)KST1 áramait a KST1-re jellemzően a külső ph savanyodása aktiválja, a KST1/(p)AKT3 áramait az AKT3-ra jellemzően a külső ph savanyodása inaktiválja. (B) A kiméra-csatornák belső ph-függése. A fürdőoldatban lévő acetát (HAc) savanyítja a citoplazmát. Az AKT3/(p)KST1 és a KST1/(p)AKT3 szemben a külső ph módosítása esetén tapasztaltakkal rendre úgy viselkedik, mint az AKT3 és a KST A töltéssel nem rendelkező ozmoaktív anyagok szerepe: a szacharóz A zárósejtek ozmoregulációjáért az ionos ozmoaktív anyagok mellett, a nap későbbi szakaszában felhalmozódó cukor, a szacharóz is felelős. Az akkumulálódó szacharóz egyik forrása a kloroplasztiszban raktározott keményítő. A keményítő bontásából származó dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP) a kloroplasztisz membránjában található, triózfoszfátortofoszfát-transzlokátor közvetítésével kerül a citoplazmába, ahol több lépés során szacharózzá szintetizálódik. Az egyre erősödő fény hatására a citoplazma szacharóz koncentrációját a fotoszintézis is emeli, sőt - bár közvetlen bizonyítékokkal nem rendelkezünk - a plazmamembránban feltételezett szacharóz transzporter közvetítésével a mezofill sejtekből származó szacharóz is hozzájárul a citoplazma szacharóz-tartalmához (Talbott és Zeiger, 1998). 24

25 A sztómazáródás folyamata A növényi sztómazáródás, a folyamat sebessége és komplexitása miatt a korai szignáltranszdukció vizsgálatának fontos modellrendszerévé vált. A zárósejtek a plazmodezmás összeköttetések híján, a környező sejtektől elhatárolt jelátviteli- és transzport rendszerrel rendelkeznek (Wille és Lucas, 1984; Willmer és Fricker, 1996). A sztómazáródást kiváltó külső és belső környezeti ingerek legtöbbször egymás hatását felerősítve fejtik ki hatásukat; az individuális jelátviteli utak egymással szoros kapcsolatban, a sejten belül szignál-transzdukciós hálózatot alakítanak ki. A transzdukciós hálózat három szabályozási útvonalra: a Ca 2+ -függő, a ph-függő és a zárósejt foszforilációs homeosztázisától függő útjára különül. Sztómazáródást indukál a vízhiány hatására termelődő növényi stresszhormon: az abszcizinsav, a sötétség, a respiráció hatására emelkedő intercelluláris CO 2 koncentráció. A patogén támadás esetén felszaporodó hidrogén-peroxid a Ca 2+ -függő jelátviteli úthoz kapcsolódva sztómazáródást indukál, megakadályozva a patogének levélbe jutását. A légköri szennyező anyagok, mint például a kén-dioxid és az ózon, magasabb koncentrációban szintén sztómazáródást okoz, így meggátolja a levélszövet további destrukcióját. A sztómazáródás során a zárósejtek turgora az ion efflux következtében csökken. Az ion efflux legfontosabb komponense a kálium árama (I Kout ), melyet a plazmamembránba ágyazódó, kifelé egyenirányító, feszültség-függő K + -csatornák (K + out) közvetítenek az apoplaszt felé. A K + out aktivációjához a plazmamembrán hosszú idejű depolarizációja szükséges (Thiel és Wolf, 1997). A K + out csatornák működése mellett az S- típusú, lassú anion efflux csatornák is aktiválódnak, melyen Cl - és malát 2- ionok szabadulnak ki a sejtből. Az anionok mozgását segíti az apoplasztikus térben lévő alacsony koncentrációjuk és a külső tér pozitív töltése. A sztómazáródáshoz mindemellett az ion influx redukciójára, így a befelé egyenirányító K + -csatorna és a Cl - -H + -szimporter deaktivációjára van szükség. 25

26 A sztómazáródás Ca 2+ -függő regulációja A zárósejt transzport-rendszereinek szabályozása az abszcizinsav (ABS) sztómazáró hatásának felderítésével részben tisztázódott. Bár az ABS közvetlenül kapcsolódik a foszfolipidekhez, mégis úgy gondolják, hogy az ABS receptora fehérje természetű molekula. A receptorhoz való kötődés helye is tisztázatlan. Több kísérlet vezetett arra a megállapításra, hogy az ABS a plazmamembrán külső felületén lévő receptor felszínhez kapcsolódik. Valerianella locusta zárósejt protoplasztokhoz, lúgos közegben (ph 8,0) adott ABS sztómazáródást indukált, pedig a citoplazmába gyenge sav lévén csak savas közegben, disszociálatlan formában juthat (Hartung, 1983). További bizonyítékkal szolgált, hogy a radioaktívan jelölt ABS is a külső felszínhez kötődött (Hornberg és Weiler, 1984). Más kísérletek viszont arra vezettek, hogy az ABS receptora a sejten belül található. Az ABS mikroinjektálása például sztómazárást indukált, bár a sebzésből eredő hatásoktól (oxidatív gyökök keletkezése) nem lehetett elkülöníteni (Schwartz és mtsai., 1994). Ha az abszcizinsavat viszont inaktív, bezárt formában mikroinjektálták, és a sebzés után jóval később, UV-fény hatására bekövetkező fotolízissel szabadították fel a kötött formából, szintén sztómazáródást tapasztaltak (Allan és mtsai., 1994). A fotolízis és a záródás között eltelt idő 2 perc volt, mely rendkívül gyors jelátviteli rendszer működését feltételezi. A receptor helyére vonatkozó ellentétes megállapítások miatt kétféle ABS receptor jelenléte feltételezhető. Az ABS hozzáadásával az erős, hosszú ideig tartó kálium és anion efflux helyett gyors, rövid ideig tartó pozitív töltésbeáramlást és tranziens membrán depolarizációt figyeltek meg. Ezzel párhuzamosan a citoplazma Ca 2+ koncentrációja ([Ca 2+ ] cyt ) emelkedett, így bizonyossá vált, hogy a plazmamembrán Ca 2+ -csatornái aktiválódtak (Schroeder és Hagiwara, 1990). A plazmamembrán Ca 2+ influx csatornáinak ABS-ra bekövetkező aktiválódása a csatorna feszültségfüggőségének és kinetikájának reverzibilis megváltozásából ered (Grabov és Blatt, 1998). A citoszol szabad Ca 2+ szintjének emelkedéséhez hozzájárul a sejt belső raktáraiból felszabaduló Ca 2+ is. A növényi sejt legnagyobb Ca 2+ raktára a vakuólum, emellett az endoplazmatikus retikulum és a kloroplasztisz is raktároz bizonyos mennyiségű Ca 2+ -ot. A Ca 2+ influxa és a belső raktárakból történő felszabadulása, a körülbelül 50 nm-os citoszolikus Ca 2+ koncentrációt 300 nm-tól egészen 1,1 µm-ig is emelheti (Mansfield és McAinsh, 1995). A raktározás irányában működő Ca 2+ -H + -antiporterek a transzport energiaigényét a proton-koncentráció gradienséből merítik. Az ABS több lépésen keresztül 26

27 aktiválja a tonoplaszt feszültségfüggő, inozitol-triszfoszfáttól (IP 3 ) függő és a ciklikus ADP-ribóztól (cadpr) függő Ca 2+ -csatornáit. Az ABS hozzáadása után mért citoszolikus IP 3 koncentráció-növekedés (Parmar és Brearley, 1995; Lee és mtsai., 1996) az ABS receptor G-proteinnel való kapcsolódását feltételezi. Az állati sejtekben jól ismert jelátviteli lépések szerint, a heterotrimer G-protein a hormon-receptor komplexhez kötődik, és GTP felhasználásával aktív G α alegységre és egy inaktív alegységre disszociál. A G α alegység a membránba ágyazódó foszfolipáz C enzimet aktiválja, mely a foszfatidil-inozitol-4,5-biszfoszfátot inozitol-triszfoszfátra (IP 3 ) és diacil-glicerolra (DAG) hasítja. A vízoldékony IP 3 a citoplazmában könnyen diffundál, hatására a Ca 2+ csatornák aktiválódnak, és az állati sejtekhez hasonlóan - aequorin és fura- 2 fluoreszcens indikátorokkal kimutatható - kalcium-oszcilláció generálódik (McAinsh és mtsai., 1995). Magasabbrendű növényekben az IP 3 -függő Ca 2+ felszabadulás mellett cadpr-től, azaz a NAD + (nikotinamid-adenin-dinukleotid) anyagcsere egyik melléktermékétől függő, rianodin alkaloidára érzékeny Ca 2+ -csatornákat is leírtak (Allen és mtsai., 1995; Muir és Sanders, 1996). A sztómazáródás során a kálium transzport irányultságának hangsúlya az influxról az effluxra tevődik, melyhez a H + -ATPáz aktivitásának csökkenése és az I Kin áram redukciója szükséges. A záródás során a citoplazma növekvő Ca 2+ koncentrációja pontosan ezt eredményezi, mert patch clamp vizsgálatok megmutatták, hogy a befelé egyenirányító, feszültségfüggő K + -csatorna a növekvő [Ca 2+ ] cyt hatására inaktiválódik (Gilroy és mtsai., 1990; Blatt és mtsai., 1990), és a H + -ATPáz aktivitása is csökken (Kinoshita és mtsai., 1995). A kifelé egyenirányító K + -csatorna kapuzása Ca 2+ -független (Schroeder és Hagiwara, 1989). A gyors, tranziens depolarizáció nem elég a hosszú membrán-depolarizációra aktiválódó, K + efflux csatornák nyitódásához (Ward és mtsai., 1995). A hosszú membrándepolarizációt a plazmamembrán S-típusú anion csatornáinak működése eredményezi, melyen a Cl - és a malát 2- ionok kiáramlanak. Az anion csatorna Ca 2+ -függő, a [Ca 2+ ] cyt emelésével aktiválódik (Schmidt és mtsai., 1995). A tonoplaszt membránjában lévő ioncsatornák szabályozásáról kevesebbet tudunk. Az ABS jelátviteli kaszkádjának vakuoláris Ca 2+ -csatornái mellett, a sejt kálium és klorid veszteségét fedező kation és anion csatornák nyílnak. A vakuoláris kation csatornák közül patch clamp technikával kétféle: egy lassú (SV, slow vacoular) (Hedrich és Neher, 1987) és egy feszültség-független (VK, vacuolar K + channel) kálium csatornát (Ward és 27

28 Schroeder, 1994) azonosítottak. Az SV csatornák Ca 2+ -aktivált, feszültség-függő és gyengén szelektív transzporterek, körülbelül 600 nm [Ca 2+ ] cyt felett nyílnak. A vakuólumból kiáramló Ca 2+, az addig mv-os tonoplaszt potenciált (a citoplazma negatív töltésű) ellenkező előjelűre változtatva a nyugalmi fiziológiai körülmények között zárt feszültség-függő SV csatornát kinyitja. Szelektivitásukról elmondható, hogy a kálium mellett kalcium és magnézium ionokat is átengednek, anionok számára viszont átjárhatatlanok (Ward és Schroeder, 1994; Allen és Sanders, 1995, 1996; Schulz-Lessdorf és Hedrich, 1995; Ward és mtsai., 1995). Megdőlni látszik az a hipotézis, miszerint az SV csatornák részt vesznek a Ca 2+ -indukált Ca 2+ -felszabadulásban (CICR, Ca 2+ -induced Ca 2+ release). Szelektivitásuk ugyan megengedné a Ca 2+ transzportját, de a nyitvatartási valószínűségük (P o ) csak az ellenkező irányú Ca 2+ transzportot biztosító körülmények között emelkedik (Pottosin és mtsai., 1997). A tonoplaszt potenciálját szintén pozitív irányba tolja a VK csatornák működése. A VK csatornák már 100 nm [Ca 2+ ] cyt felett aktiválódnak. Mivel működésük nem függ a vakuoláris potenciáltól, viszont azt alakítja, a vakuoláris kálium efflux elsőként a VK csatornák közvetítésével valósul meg (Ward és Schroeder, 1994). A zárósejtek vakuoláris klorid effluxát közvetítő csatornákra jelenleg nem rendelkezünk információval. 28

29 A sztómazáródás ph-függő regulációja Kísérleti tapasztalatok szerint, az abszcizinsav a [Ca 2+ ] cyt emelése mellett, a citoszol ph-ját (ph i ) lúgos irányban módosítja. A lúgosodás mértékéről elmondható, hogy a kiindulási, körülbelül ph 7,7-es értékhez képest 0,2 ph-nyi emelkedés alakul (Irving és mtsai., 1992). A plazmamembrán kálium csatornáit megvizsgálva kiderült, hogy mind a befelé, mind pedig a kifelé egyenirányító csatornák ph-függőek. Különböznek viszont abban, hogy míg a befelé egyenirányító K + -csatorna a lúgosodó citoszol hatására inaktiválódik, addig a kifelé egyenirányító aktiválódik. Patch clamp mérésekkel bizonyították, hogy a ph i 7,0-ről 7,6-ra növelése mellett az I Kin áram nagysága reverzibilis módon az ötöd részére csökken (Grabov és Blatt, 1997), miközben a [Ca 2+ ] cyt nem változik. A K + in csatorna kapuzásának feszültség-függősége nem változott, a Hill-féle titrációs összefüggéssel (Segel, 1993) számított Hill-koefficiens 0,95 volt, azaz a csatorna feltételezett ph-szenzorának protonkötő helyeinek száma körülbelül 1. Az I Kin pk a értéke 6,4-nek adódott. A K + out csatorna esetén a Hill-koefficiens értéke 2,4, a pka 7,5 volt (Grabov és Blatt, 1997). Az abszcizinsavas citoszol lúgosodás során tehát a befelé transzportáló kálium csatornák inaktiválódnak, így a sejt kálium tartalma tovább nem növekedhet. A lúgosodás másik következményeként a kifelé transzportáló kálium csatornák aktiválódnak, és a sejt kálium koncentrációja csökkenni kezd. A citoszol folyamatosan csökkenő kálium koncentrációját a vakuoláris kálium áram fedezi. A vakuólum VK és gyors, FV (fast vacuolar K + channel) csatornái szintén ph-függőnek mutatkoztak, ám a VK csatornák lúgos tartományban tapasztalható deaktivációja arra enged következtetni, hogy a sztómazáródás ph-függő szabályozásában nem vesznek részt. Az FV csatornák alacsony konduktanciájú (6,4 ps) feszültség-függő, K + -szelektív csatornák, a citoszol lúgosodásával aktiválódnak és fontos részét képezik a ph-függő regulációs útnak (Allen és mtsai., 1998). Mivel az abszcizinsav hatására emelkedő [Ca 2+ ] cyt inaktiválja a plazmamembrán H + -ATPázát, a citoplazmatikus lúgosodás ezzel nem magyarázható. Feltételezések szerint az ABS hatására a tonoplaszt elektrogén ionpumpái, a vakuoláris ATPáz (V-ATPáz) és a H + -pirofoszfatáz (H + -PPáz) serkentődnek, ám ennek módját még kutatják. 29

30 A protein foszforiláció szerepe; egyéb szabályozási útvonalak A protein kinázok és foszfatázok sztómaregulációban betöltött szerepét az az egyszerű kísérlet világította meg, melyben a zárósejt protoplasztokhoz illesztett patch pipetta töltőoldatából kihagyták az ATP-t. Ekkor a whole cell módban vizsgált protoplasztok S- típusú anion csatornái deaktiválódtak, míg az ATP koncentráció emelésével erőteljes aktiváció volt megfigyelhető. Mivel az aktivációt protein kináz inhibitorokkal meg lehetett szüntetni, az S-típusú anion csatornafehérjéit bizonyosan a hozzájuk kovalensen kötődő foszfát csoport hozta aktív állapotba (Cohen, 1989). A protein foszfatázok ezzel szemben a kovalensen kapcsolódó foszfát csoportot eltávolítják, a proteint deaktiválják. Ebből következően, a protein foszfatázok inhibitorai még ATP jelenléte nélkül is aktív állapotban tartják a csatornát, melynek bizonyítékát a protein foszfatáz inhibitor, okadainsav szolgáltatta (Schmidt és mtsai., 1995). A következőkben vizsgáljuk meg, hogy milyen kinázok és foszfatázok regulálják a sztómanyitódás és záródás folyamatát. Luan és munkatársai szerint (1993), a kalcium-kalmodulin-függő protein foszfatáz 2B (kalcineurin, PP2B) inhibitoraival kezelt zárósejtek K + in csatorna működése még a megemelt [Ca 2+ ] cyt szintre sem inaktiválódott. A kalcineurin egyik inhibitora, a cyclosporin A (CsA) megakadályozza a sztómazáródást, és redukálja az ABS sztómanyitódást gátló hatását (Hey és mtsai., 1997). A kalcineurin ebből a szempontból tehát a sztómanyitódás egyik negatív regulátora (8. ábra), ám méréseink szerint a kalcineurin gátlók a kifelé egyenirányított kálium csatornákra is hatnak (Horváth és mtsai., 2002). A kalcineurin jelátviteli hálózathoz való kapcsolódási pontjai még tisztázásra szorulnak. A kalcineurin gátlószereivel szemben a protein foszfatáz 1 és 2A (PP1/PP2A) inhibitorai, például az okadainsav, inaktiválják a befelé egyenirányító kálium csatornát (K + in), tehát a PP1 és PP2A a sztómanyitódás pozitív regulátora (8. ábra; Li és mtsai., 1994; Thiel és Blatt, 1994). A sztómanyitódás pozitív regulátorai emellett még a korábban említett proteinek is, a H + -ATPázt aktiváló működésüket a fusicoccin tovább segíti. 30

31 8. ábra A protein foszforiláció/defoszforiláció szerepe, pozitív és negatív regulátorok a sztómanyitódás során. Részletes magyarázat a szövegben. Az okadainsav egyes kísérletek szerint nemcsak a K + in, de a K + out csatornát is inaktiválta (Thiel és Blatt, 1994); a kifelé egyenirányító kálium csatornák működését a protein foszforiláció, az említett példa szerint a PP1 és a PP2A foszfatázok is szabályozzák, melyek a sztómazáródás pozitív regulátorai (9. ábra). 9. ábra A protein foszforiláció/defoszforiláció szerepe, pozitív és negatív regulátorok a sztómazáródás során. Részletes magyarázat a szövegben. A zárósejtek protein foszfatázait kutatva, első ízben az ABS-érzéketlen abi1 mutánsokról bizonyosodott be, hogy bennük a mutáns ABI1 fehérje nem más, mint egy szerin-treonin protein foszfatáz, a protein foszfatáz 2C (PP2C) (Leung és mtsai., 1994; 31

32 Meyer és mtsai., 1994). Az Arabidopsis zárósejtekbe transzformált mutáns ABI1 gén, mind a kifelé, mind a befelé egyenirányító K + -csatornákat abszcizinsavval szemben érzéketlenné teszi, az ABS aktivált anion csatornákra és az ABS-indukált citoplazmatikus lúgosodásra viszont nincs hatással (Armstrong és mtsai., 1995). Az ABI1 gén által kódolt protein foszfatáz tehát specifikusan a kálium csatornákat szabályozza. Grabov és Blatt kísérletei szerint az abi1 mutáció a kálium csatornák ph-érzékenységével is interferál, mert a lúgosodó citoplazma hatására csak a defoszforilált ioncsatornák reagáltak (9. ábra; Blatt és Grabov, 1997). Xenopus heterológ expressziós rendszerben vizsgált KAT1 csatornát a Ca 2+ -függő protein kináz (CDPK) foszforilálta, és érdekes módon működését ezzel gátolta (Berkowitz és mtsai., 2000). Amellett, hogy a CDPK a sztómanyitódás negatív regulátora (8. ábra), az S-típusú anion csatornák szabályozásán keresztül az abszcizinsavas sztómazáródás pozitív regulátorai (9. ábra; Sheen, 1996). Az ABS-aktivált protein kinázok (AAPK) jelenlétét zárósejt protoplasztokban arra alapozták, hogy az ABS kezelés egy 48 kda-os fehérje autofoszforilációját indukálta (Li és Assmann, 1996). Az indukció protein szintézis inhibitorokra, például cikloheximidre érzéketlen volt, tehát az ABS direkt vagy indirekt módon az enzimet aktiválta. Mivel ugyanerről az enzimről kimutatták, hogy más proteinek szerin oldalláncát, Ca 2+ -független módon foszforilálja, feltételezhetően egy olyan protein kinázról van szó, mely a Ca 2+ - független abszcizinsavas sztómazáródásban közrejátszik (9. ábra). A ciklikus nukleotidok, például a camp (Curvetto és mtsai., 1994), vagy a membrán-permeábilis cgmp (Cousson és Vavasseur, 1998) szerepe a Ca 2+ -függő sztómanyitódás stimulálásában van; mennyiségük a korábban bemutatott, aktív G α alegység adenilil-cikláz enzimet serkentő hatásától függ (8. ábra). A környezeti hatások közül a hőmérséklet sztómareguláló szerepe az ioncsatornák kapuzási tulajdonságainak megváltoztatásában is kifejeződik. A K + in és a K + out csatornák konduktanciája 13 és 20 ºC között a hőmérséklet emelésével növekszik. 20 és 28 ºC között a hőmérséklet további emelésével a K + out konduktanciája csökken, viszont a K + in konduktancia növekszik, amely sztómanyitódást, és egyre erősödő transzspirációs hűtő hatást vált ki (Ilan és mtsai., 1995). 32

33 2.4. ph-függő szabályozási vizsgálat a legprimitívebb K + -csatorna modellrendszerében Az ioncsatornák ph-függésének a szerkezet-működés közötti összefüggését olyan modellrendszerben próbáltuk felderíteni, amely méretét tekintve kicsiny, szekvenciája ismert, és heterológ expressziós rendszerben könnyen kifejezhető. A heterológ rendszer fontossága abban áll, hogy a csatornát a megszokott környezetén és az in vivo szabályozó faktorok például csatorna β-alegységek és szabályzó fehérjék - hatásán kívül helyezve, lehetővé válik egy-egy potenciális szabályozó tényező közvetlen hatásvizsgálata. Választásunk egy kis méretű ioncsatornára (Kcv) esett, melyet a közelmúltban fedeztek fel a PBCV-1 vírus genomjában. A csatorna feszültség-függő, K + -szelektív, Xenopus oocytában illetve humán embrionális vesesejtekben (HEK, human embryo kidney) expresszáltatható A Kcv csatorna felfedezése és jellemzése; szerkezeti kapcsolata a növényi K + -csatornákkal A Kcv szekvenciáját Plugge és munkatársai (2000) fedezték fel egy fitopatogén vírusban. A vírus teljes neve Paramecium bursaria chlorella vírus 1 (PBCV-1), rendszertanilag a Phycodnaviridae családba tartozik, gazdaszervezete az NC64A jelű Chlorella törzs. Szerkezete ikozaéderes, a kapszid átmérője nm. Genomja más vírusokéval összehasonlításban meglehetősen nagy, 330 kb méretű kettős szálú (ds) DNS genom. A terminális fordított ismétlődésektől, valamint a kovalensen kapcsolt hairpin loopoktól eltekintve a genom jórészt egy példányú DNS-ből áll. Szekvenciájában 701 fehérjekódoló szakasz (ORF) található, a K + -ioncsatornát az A250R jelű ORF tartalmazza. Az A250R jelű szakasz egy 94 aminosavból álló fehérjeszekvenciát kódol, melynek izoelektromos pontja 8,7, molekulatömege pedig 10,6 kda. A feltételezett szekvencia hidropátia analízise alapján két transzmembrán doménnel (TM) rendelkezik, egymástól 44 aminosav távolságra. Ezen a szakaszon található a K + -csatornákra jellemző signaturesequence (TXXTXGFG, amely Kcv esetén THSTVGFG), benne a K + -szelektivitásért felelős G-[Y/F/L]-G motívummal (Derst és Karschin, 1998). A konzervált régió körüli 26 aminosav átlagosan 61%-ban hasonlóságot és 38%-ban azonosságot mutat számos K + - csatorna pórus- (P) doménjével. Szemben a P-régió nagyfokú hasonlóságával, a TMdomén teljesen különbözik más K + -csatornák doménjeitől. 33

34 10. ábra A Kcv szekvencia szerkezeti és hidropátia analízise. TM1 és TM2 transzmembrán régiók, szimlpa aláhúzással jelölve; P pórus régió; a K + -csatornákra jellemző signature-sequence dupla aláhúzással jelölt (Plugge és mtsai., 2000). A Kcv egyedi tulajdonsága, hogy a citoplazma felőli N-terminálisa rövid, mindössze 12 aminosav hosszúságú, a citoplazmatikus C-terminális pedig teljes egészében hiányzik. Az N-terminális bár kicsiny, de fontos a csatornaműködés szempontjából. A Western blot analízis és a GFP-kimérák (GFP, vad típusú zöld fluoreszcens fehérje) mikroszkópiás elemzései azt mutatták, hogy a Kcv N-terminálisa felőli 14 aminosav deléciója ( N-GFP) nincs hatással a fehérje szintézisére, és a fehérje sejten belüli lokalizációját sem módosítja. A N-GFP-vel transzfektált sejtekben viszont nem volt mérhető a Kcv specifikus áram. Az N-terminális szekvenciájának számítógépes elemzése azt mutatta, hogy a TRTE aminosav szekvencia (9-12) kazein protein-kináz 2 kötőhellyel rendelkezik (Falquet és mtsai., 2002). Azonban a 9. pozícióban lévő treonin alaninra történő cseréjével, a foszforilációs kötőhely módosítása után a mutáns csatorna árama megegyezett a vad típuséval, sőt kináz inhibitorokkal kezelve sem mutatkozott különbség (Moroni és mtsai., 2002). A Kcv szerkezetileg az IRK-típusú kálium csatornák osztályába tartozik. Az IRK csatornák befelé egyenirányító csatornák, két transzmembrán doménből állnak, és a P- domén ezek között helyezkedik el. A funkcionális csatorna a Shaker-típusú kálium csatornákhoz hasonlóan homotetramer szerkezetű (Jan és Jan, 1997; Zimmermann és Sentenac, 1999), a monomerek homológ szerkezetűek a Shaker-csatornák core-doménjével (S5-H5-S6) (Choe és mtsai., 2000). Filogenetikai összehasonlításban a három eukarióta K + -csatorna családdal (11. ábra; Shaker, IRK és TWIK, más néven: tandem ismétlődő, kétpórusú, és gyengén befelé 34

35 egyenirányító kálium csatornák), valamint a két prokarióta családdal, a Kcv külön ágat képvisel (Derst és Karschin, 1998; Hoth és mtsai., 2001; Czempinski és mtsai., 1999; Zimmermann és Sentenac, 1999; Talley és mtsai., 2000). A Kcv tehát igen ősi csatorna, melyet az a tény is igazol, hogy PBCV-1 más fehérjéi is hosszú evolúciós múltra tekintenek vissza (Plugge és mtsai., 2000). 11. ábra A három eukarióta K + -csatorna család szerkezete. S1, S6 transzmembrán szegmensek; P pórusrégió; N, C terminálisok A Kcv csatorna működése, elektrofiziológiai tulajdonságai A bizonyítékot, mely szerint a Kcv szekvencia működőképes kálium csatornát kódol, a Xenopus laevis-ben való expresszáltatás után kapták meg. A csatorna árama a kálium csatornák jellegzetes tulajdonságait mutatta, mint például az ion-szelektivitás, közepes erősségű feszültség-függőség, és csatornablokkolókra való érzékenység (Plugge és mtsai., 2000). Az oocytában, 36 órával az expresszió után kételektródás voltage clamp technikával óriási kálium influxot regisztráltak, a vízzel transzfektált kontroll sejtekben ugyanez nem volt tapasztalható (12/A ábra). A teljes áramot (steady-state, I ss ) az azonnali (instantaneous, I i ), illetve az időfüggő (time-dependent, I t ) komponensekre lehet bontani. Az I i áram áramerősség-feszültség (I/V) 35

36 karakterisztikája magas hiperpolarizációs és depolarizációs feszültségeknél már nem mutatott lineáris összefüggést, hasonlóképpen az időfüggő I t komponens sem (12/B ábra). 12. ábra Xenopus oocytában expresszálódó Kcv csatorna kálium áramai. (A) A kontrollként vízzel transzfektált és a Kcv mrns-sel transzfektált oocyták ionáramai a feltüntetett teszt feszültség impulzusok mellett. (B) Az I i ( ), az I ss ( ) és a kontroll ( ) áramok feszültség-függése (Plugge és mtsai., 2000). A csatorna kation-szelektivitását nátrium ionokkal tesztelték. Amikor a fürdőoldatban a KCl-ot NaCl-ra cserélték, az eredmények azt mutatták, hogy Kcv K + -ionokat preferál, a permeabilitási arány 9,32 (13. ábra; Plugge és mtsai., 2000). 36

37 13. ábra A Kcv csatorna szelektivitása.(a) Kcv ionáramok 50 mm KCl-ot és 50 mm NaCl-ot tartalmazó sejtfürdő oldat esetén. (B) A Kcv ionáramok feszültség-függése a két sejtfürdő oldat esetén (Plugge és mtsai., 2000). A csatorna K + -szelektivitását bizonyítja, hogy a külső kálium-koncentráció csökkentése nyomán a reverz potenciál (V r ) negatív irányba tolódik, illetve a befelé irányuló áram csökken (14. ábra). 37

38 14. ábra I i /V összefüggés 2, 20 és 50 mm KCl-ot tartalmazó sejtfürdő oldat esetén (Plugge és mtsai., 2000). Az I i és I t komponensek feszültségfüggést mutattak. Az azonnali áram konduktanciája 0 mv értéknél maximális: pozitív, illetve negatív feszültségeknél feszültségfüggően csökken. Ezzel szemben az időfüggő komponens hiperpolarizáló feszültség-értékeknél aktiválódik a feszültség függvényében. A feszültségfüggő Shaker-csatornák esetében a feszültségfüggésért felelős elem a negyedik TM-domén, S4, amely töltött aminosavakban gazdag. A Kcv rövid, enyhén hidrofób N-terminálisában két töltött aminosav, lizin (K5) és arginin (R10) található. Feltételezések szerint a csatorna membránba ágyazódó N- terminálisa a Shaker-típusú csatornák S4 szakaszához hasonlóan feszültség érzékelőként funkcionál. A két aminosav alaninra történő cseréje azonban nem igazolta ezt az elképzelést: a mutáns csatorna (K5A R10A) a vad típussal megegyező tulajdonságokat mutatott. A csatorna Ca 2+ -ionokkal is blokkolható az extracelluláris oldalról. A blokkolás feszültségtől független, Ca 2+ -specifikus, ami arra enged következtetni, hogy a blokkolás a csatorna extracelluláris Ca 2+ -specifikus kötőhelyén keresztül valósul meg (15. ábra; Gazzarrini és mtsai., 2002). 38

39 15. ábra Az extracelluláris Ca 2+ koncentrációt csökkentve a Kcv áram növekedik. A kísérlet a Xenopus oocytába transzfektált Kcv csatorna ionáramait mutatja a rögzítési feszültség függvényében, voltage clamp módban (Gazzarrini és mtsai., 2002). A vírus növekedéséhez és életciklusának megvalósításához mindenképpen szükséges a csatorna. A két jól ismert K + -csatornablokkoló, az amantadin és a bárium blokkolják a PBCV-1 plakk-képzését. A gátlás közvetlenül a csatorna inaktivációján keresztül valósul meg, mert a csatorna 50%-os blokkolása, illetve a plakk-képzés 50%-os gátlása mindkét gátlószer esetében ugyanazon a gátlószer-koncentráción valósul meg. A bárium esetében a gátlás feszültségfüggőnek mutatkozik: az ion negatív feszültségértékek hatására a csatorna pórusát eltömíti (Plugge és mtsai., 2000). Számos példa igazolja, hogy a káliumcsatornák ph-függésében döntő fontosságú a csatorna pórusrégiójában elhelyezkedő hisztidin oldallánc. Ez az aminosav általában más titrálható oldalláncokkal együttesen határozza meg az illető K + -csatorna ph-függését. A Kcv csatorna pórusrégiójában ugyancsak található hisztidin. Feltételezésünk szerint ez a molekula a pórusrégióban található másik titrálható aminosavval, a ciszteinnel együtt phérzékelésben játszhat szerepet. Az előzőekben ismertetett, befelé egyenirányító, feszültségfüggő kálium csatornák (KAT1 és AKT1) ph szenzorai a pórusrégióban, illetve azon kívül helyezkedhetnek el. A Kcv csatorna ph érzékelőjét kutatva szem előtt kellett tartanunk, hogy a belső és a külső oldali környezet ph-ját különböző szenzorok érzékelhetik, és hogy a konduktancia mellett a csatorna feszültségfüggő kapuzása is módosulhat. 39

40 3. Célkitűzés A kutatási célkitűzéseinket két nagyobb témakörbe csoportosítottuk. Az elsőben a sztómazáró sejtek ioncsatorna működésének felderítését céloztuk. Vizsgálatainkban célul tűztük ki, hogy megvizsgáljuk: 1.1. létezik-e különbség a balatoni egészséges és fragmentálódó nádnövények sztómaműködésében a sztómaműködésbeli eltérés kapcsolatban áll-e a nádasokra kiszórt piretroid, a deltamethrin hatásával a deltamethrin befolyásolja-e a whole cell patch clamp elektrofiziológiai mérési elrendezésben tapasztalt kimosódási effektust, különös tekintettel a kifelé egyenirányító kálium áram relaxációjára van-e kapcsolat a kimosódási effektus során mért, kifelé egyenirányító kálium áram relaxációja és a citoplazmatikus ph változása között van-e kapcsolat a kimosódási effektus során mért, kifelé egyenirányító kálium áram relaxációja és a citoplazmatikus ATP mennyisége között kapcsolatos-e a kimosódási effektus a sejt foszforilációs/defoszforilációs homeosztázisával létezik-e a deltamethrinnek az állati sejtekben jól ismert kalcineurin-gátló hatása vajon összevethető-e ezen hatás más kalcineurin gátlószerek hatásával vajon a deltamethrin kötődik-e ligandumként a kifelé egyenirányító kálium csatornához. A kutatási célkitűzéseink másik csoportja a kálium csatornák ph-regulációjának struktúrafunkció közötti kapcsolatával foglalkozik. Célul tűztük ki, hogy kiderítsük: 2.1. vajon a szerkezeti és működési szempontból is egyszerű Kcv csatorna mutat-e phfüggőséget vajon a HEK293 gazdasejt a saját háttérárama és annak esetleges ph-függése miatt alkalmas heterológ expressziós rendszer-e a vizsgálatokhoz a Kcv mely strukturális elemei alkotják a ph szenzort vajon létezik-e különbség az extracelluláris és az intracelluláris ph-szabályozás között hányféle ph szenzor található a Kcv csatornán. 40

41 4. Anyagok és módszerek 4.1. A zárósejtek vizsgálata során felhasznált anyagok és módszerek Porométeres mérések A transzspiráció meghatározására tranziens típusú porométert használtunk (VP-2000, Cayuga Development, USA). A transzspirált vízmennyiséget (1 cm 2 -nyi levélfelület által egységnyi idő alatt elpárologtatott vízgőz mennyisége [cm s -1 ]) a következő egyenlet alapján számoltuk: V D S 1,244 F =, (2) A t ahol F - a párologtatás sebessége [cm s -1 ] V - a kamra térfogata (15 cm 3 ) D - a telített vízgőz sűrűsége a porométer hőmérsékletén [mg cm -3 ] S - a relatív páratartalom növekedése a porométer kamra belsejében (%) A - a kamra nyílásának területe (1 cm 2 ) t - idő [s] 1,244 - a vízgőz tömegének víztérfogattá alakításához szükséges konverziós faktor A sztómarezisztencia a párologtatás sebességének ismeretében: e e por R =, (3) F l ahol R - sztómarezisztencia [s cm -1 ], e l - telítettségi gőznyomás a levélfelület hőmérsékletén, a levélszövet gőznyomását 100 %-nak tekintjük e por - gőznyomás a porométer kamrában A porométer kamrában úgy határoztuk meg a gőznyomást, hogy mivel a vízgőz közel ideális gáznak tekinthető, a relatív páratartalom felírható a gőznyomás és az ugyanazon a hőmérsékleten mért telítettségi gőznyomás hányadosként: e porométer RH (%) = 100 (4) e telítettségi 41

42 A porométeres méréseknél ügyeltünk arra, hogy a megfelelő levélemeletet és levélszegmenset hasonlítsuk össze, hasonló időjárási feltételek mellett. Méréseinket általában reggel 7 és este 7 óra között ugyanazon növényeken végeztük és több napon keresztül ismételtük. Mivel a sztómarezisztencia arányos a területegységre eső sztómaszámmal, a vizsgált növények sztómasűrűségét is összevetettük. Ennek meghatározása a következő módon történt: Xantopren VL típusú foglenyomat pasztát vittünk a levélfelszínre, és az anyag megszilárdulása után azt sérülésmentesen eltávolítottunk. A levél negatív lenyomatát színtelen lakkal vontuk be, amely az eredeti felületnek megfelelően képezett replikát. A száradás után a lakkot eltávolítottuk és mikroszkóp alatt megvizsgáltuk. A sztómaszámot az okulár tubusába helyezett négyzetrács segítségével határoztuk meg. A helyszíni méréseket májusában és augusztusában, májusában és augusztusában a Balatonkenese-Balatonfűzfő közötti mérési helyen (71. sz. műút 14. km szelvény) végeztük. A mérési ponton az összefüggő állományban növő egészséges nádas és a fragmentált kolóniák szűk területen belül fordulnak elő. 42

43 Elektrofiziológiai mérések: patch clamp technika A membántranszport tanulmányozásának egyik módszere a voltage clamp technikából kifejlesztett patch clamp (folt-feszültségzár) technika (Hamill és mtsai., 1981). Előnye, hogy a membrán ionárama rögzített membránpotenciál mellett mérhető, és hogy az elektromos szempontból tökéletesen izolált membránfolt kicsiny (3-10 µm 2 ) területe akár egy ioncsatorna áramának mérését is lehetővé teszi. Másik előnye, hogy a membrán ionárama (I i ) a kapacitív áramtól elkülöníthetővé válik. A biológiai membránok ugyanis töltött kondenzátorként viselkednek, ahol a fegyverzetet a membrán felületi töltései, a dielektrikumot pedig a lipid kettősréteg jelenti (16. ábra). 16. ábra (A) A biológiai membránok elektromosan analóg áramköre. A változtatható ellenállás az ioncsatornák kapuzó működését szemlélteti, a párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a membrán kapacitív tulajdonságait reprezentálja. (B) Ha az áramkörre négyszög feszültségimpulzust kapcsolunk, a mért áram az I i és az I c tagokra könnyen elkülöníthető. A kapacitív ionáram (I c ) arányos az időegység alatti feszültségváltozással (dv/dt), az arányossági tényező a membrán kapacitása (C m ). A teljes membránáram (I m ) tehát a következő formában írható fel: dv Im = Ii + Cm. dt A membránfoltot boroszilikát üvegből húzott patch pipettával izolálják. A pipettát elektrolittal töltik fel, melybe ezüst-klorid réteggel bevont ezüst elektródaszálat merítenek. A kísérletek előtt a pipettahegyet hővel kezelik, és viaszréteggel vonják be a kapacitív áram csökkentése céljából. A pipettát mikromanipulátorral, inverz mikroszkóp alatt mozgatják a sejtmembránhoz. 43

44 A pipettát a sejtmembránhoz szorosan illesztve egy mechanikailag és elektromos szempontból is stabil kötőréteg, ún. seal réteg jön létre, melynek ellenállása 10 GΩ-os nagyságrendű. A kötőréteg kialakulásának feltétele, hogy a sejtmembrán tiszta, a környezet pedig rezgésmentes legyen. Növényi sejtek tehát csak protoplasztálás után alkalmasak patch clamp vizsgálatokra. A seal elzárja a szivárgási áram útját, és lehetővé teszi a kicsiny membránáramok rögzítését, elemzését (17. ábra). 17. ábra A pipetta és a membrán viszonya patch clamp mérések során. Ebben a mérési elrendezésben a membránfolt ioncsatornáinak aktivitását vizsgálhatjuk intakt intracelluláris viszonyok mellett (cell-attached mód, 18. ábra). A membránfolt erősebb szippantással való beszakítása után a pipetta töltőoldata átmossa a sejtet, és a megfelelő membrán-üveg közötti nagy ellenállású kötőréteg esetén a sejt teljes ionárama láthatóvá válik (whole cell mód, 18. ábra). Ha a pipettát a cell-attached kialakítás után a sejttől eltávolítjuk, a pipettához erősen kötődő membránfolt kiszakad, és létrejön az inside-out elrendezés. A sejt fürdőoldat összetételének változtatásával a citoplazma összetételét modellezzük, amíg a kiszakított ioncsatorna működése rögzített membránfeszültség mellett mérhető. Alapvetően két membránfolt elrendezés létezik, az inside-out és az outside-out mód. Köztük a különbség abban áll, hogy az inside-out módnál a membrán belső felülete tekint a sejtfürdő oldat felé, az outside-out esetén pedig a külső felszíne (18. ábra). 44

45 18. ábra A patch clamp technika mérési elrendezései. Mivel a mérés során a pipetta töltőoldatának összetétele nem változtatható, az ioncsatornák külső és belső szabályozó felszínei, kötési helyei a sejt fürdőoldatának változtatásával deríthetők fel. A pipetta elektrolit töltőoldatába elektród az erősítőbe továbbítja a kicsiny, 3-5 pa illetve whole cell mód esetén pa nagyságú áramot. Méréseink során az áramjeleket alul-áteresztő szűrővel szűrtük (2-3 khz) és 5 khz mintavételi frekvencia mellett digitalizáltuk. Méréseinket kivétel nélkül a patch clamp technika whole cell módjában végeztük. Az eredmények kiértékelése úgy történt, hogy a tesztfeszültségekre aktiválódó whole cell áramokat steady-state állapotban, körülbelül 50 ms időintervallumban átlagoltuk, és a hozzájuk tartozó feszültség függvényében ábrázoltuk (19. ábra). 45

46 19. ábra A whole cell technikával mért adatok kiértékelése. (A) A különböző tesztfeszültség impulzusokra aktiválódó áramok időfüggése. A nyíl a négyszögimpulzus kezdetét, a vonalazott sáv a steady-state állapotban átlagolt áramszakaszt mutatja. (B) A steady-state áramok feszültség-függése. A feszültség-áramerősség karakterisztika jól mutatja az erősen hiperpolarizáló és depolarizáló feszültségtartományban az áramok lineáristól eltérő feszültség-függését (19/B ábra), mely a zárósejtek kifelé és befelé egyenirányító kálium csatornáira, mind a befelé irányuló Kcv áramra is jellemző volt. Az áramok nagysága sejtről sejtre változott, amit a membránban elhelyezkedő csatornák számbeli eltérésével, így a transzfektált sejtek esetén a sejtbe került plazmidok számával, illetve az ezekről történő expresszió erősségének különbözőségével lehet magyarázni. Ilyen estetekben az áramok nagyságát nem abszolút értékben hanem százalékos arányaikban tüntettük fel és hasonlítottuk össze. 46

47 Növénynevelés és protoplaszt preparálás A méréseinkhez felhasznált zárósejt protoplasztokat az üvegházban 2-3 hétig nevelt Vicia faba L. cv. Hangdown növényekből nyertük. A fiatal levelek abaxiális felületéről vett nyúzatokat 2-3 órán keresztül enzimes fürdőoldatban úsztattuk. Az oldat összetétele: 2 % celluláz, 0,2 % macerozim, 0,026 % pektoliáz, 1 mm CaCl 2, 0,26 % BSA, 5 mm MES/HCl (ph 5,6). Az oldat ozmolaritását mannitollal 520 mosm-ra állítottuk. Ezután az epidermisz nyúzatokat mosóoldatba helyeztük, és óvatosan átráztuk. A mosóoldat összetétele: 1 mm CaCl 2, 10 mm K-glutamát, 5 mm MES, 2 mm MgCl 2, ph 5,5 (KOH). Az oldat ozmolaritása 500 mosm volt, melyet szintén mannitollal állítottunk. Az oldatot 20 µm-es pórusátmérőjű szűrőn átszűrtük, így a µm átmérőjű zárósejteknél nagyobb mezofill sejteket és szövetdarabokat eltávolítottuk. Többszöri, kis fordulatszámon ( rpm) végzett centrifugálás és oldatcsere után a zárósejt protoplasztokat a mérésig +5 ºC hőmérsékleten tartottuk (Homann, 1998) Patch clamp whole cell mérések zárósejt protoplasztok esetén A patch clamp whole cell mérésekhez boroszilikát pipettákat használtunk (2-5 MΩ, Kimax 51, Kimble, Toledo, OH). A pipettatöltő elektrolit összetétele: 150 mm K-glutamát, 0,838 mm CaCl 2, 2 mm MgCl 2, 2 mm K-ATP, 1 mm EGTA, 10 mm HEPES/KOH (ph 7,5) volt. A szabad Ca 2+ koncentrációt a Föhr & Warchol szoftverrel számítva 200 nm-nak választottuk (Föhr és mtsai., 1992). Az oldat ozmolaritása 520 mosm volt, melyet mannitollal állítottunk. Az ionáramokat List EPC 7 (List Medical, Darmstadt, Germany) és HEKA EPC9 (HEKA Elektronik GmbH, Germany) típusú patch clamp erősítővel rögzítettük. A jeleket 3 khz-en 8 pólusú Bessel-szűrővel szűrtük, majd Digidata 1200-as D/A átalakítóval (Axon Instruments, Foster City, CA, USA) számítógépre rögzítettük. Adatrögzítéshez a pclamp 5.0 szoftvert, analízishez pedig a Clampfit 8.0 szoftvert (Axon Instruments, Foster City, CA, USA) használtunk. A méréseket szobahőmérsékleten végeztük. A deltamethrint (Calbiochem-Novabiochem Co., USA) DMSO-ban (max. 0,16 % v/v) oldottuk fel. A DMSO önmagában nem hatott a K + -áramra. A deltamethrint tartalmazó sejtfürdő oldatot a mérés során perfúziós rendszerrel adtuk a mérőedénybe. 47

48 4.2. A Kcv csatorna vizsgálata során felhasznált anyagok és módszerek A HEK sejtvonal fenntartása és a transzfekció lépései A Kcv heterológ expressziójához humán embrió vesesejteket (HEK293) használtunk. Noha a sejtvonalat eredetileg adenovírus fenntartásra használják, a vizsgálatainkhoz több szempontból is kiválóan alkalmas. Könnyen fenntartható és transzfektálható, valamint patch clamp vizsgálatokhoz is ideális, mert könnyen kialakul a mérésekhez alkalmas sealréteg. A sejttípus endogén csatorna-aktivitása is kedvező: a HEK293 sejtekben nincs befelé egyenirányító csatorna. Ez nagyon fontos szempont, hiszen a Kcv HEK sejtben történő patch clamp vizsgálatakor az esetleges endogén csatornák áramai nem volnának elkülöníthetők a Kcv áramoktól. A sejtvonalat 37 C-on 4% CO 2 tartalom mellett tartottuk fenn DMEM/F12 szérummentes tápoldatban, melyhez borjúszérumot (FCS), illetve penicillint, és sztreptomicint kevertünk, mely a tápoldat befertőződését előzi meg. A tápoldat összetételének pontos arányai DMEM/F12:FCS = 9:1, penicillin és sztreptomicin aktivitása 10 U/ml volt. A DMEM (Dulbecco s Modified Eagle Medium) egy komplex összetételű, emlős sejtkultúrák számára kifejlesztett tápoldat (Függelék, 1. táblázat). Számos összetevője ellenére hiányoznak belőle bizonyos, a sejtkultúrák osztódásához, illetve fennmaradásához nélkülözhetetlen anyagok, például növekedési faktorok, melyeket a tápoldathoz adott borjúszérum pótol. A sejtek átoltására akkor került sor, mikor az edény aljában a sejtek csaknem összefüggő monolayert alakítottak ki. Ez az állapot tipikusan 3-4 nap után következett be. A tápoldat leszívása, illetve a pufferes mosás után következett a sejtek izolálása, tripszin segítségével. A mosáshoz használt PBS puffer összetétele: 137 mm NaCl, 2,7 mm KCl, 10 mm Na 2 HPO 4, 1,8 mm KH 2 PO 4 volt, ph-ját nátrium-hidroxiddal 7,4-re állítottuk. A tripszin oldatot PBS pufferben, 0,5 mg/ml tripszin és 0,2 mg/ml EDTA hozzáadásával készítettük el. Az izolálást követően kisebb térfogatú sejtszuszpenziót áthelyezünk egy friss tápoldatot tartalmazó tálkába, valamint kis méretű Petri-csészékbe az azt követő patch clamp vizsgálat céljából. A Kcv szekvencia heterológ expressziójához vektorként a pegfp-n2 plazmidot (BD Biosciences, Clontech, USA) használtuk (20. ábra). 48

49 20. ábra A pegfp-n2 plazmid. A 4,7 kb méretű plazmid két replikációs origót is tartalmaz, így a plazmid eukariótákban (SV40 ori), illetve prokariótákban (puc ori) is replikálódhat. A plazmid klónozó helyétől 5 irányban található citomegalovírus korai promótere (P CMV IE ) igen erős expressziót biztosít eukarióta sejtekben, az EGFP szekvenciától 3 irányban lévő SV40 poliadenilációs szignál (SV40 polya) pedig az EGFP mrns megfelelő érését szabályozza. A plazmidba klónozott Kcv szekvencia az EGFP szekvenciával egy leolvasási keretbe került és nem tartalmaz stop kodont, ezért az expresszió eredménye egy fúziós fehérje. A plazmid fő, egyben névadó szerkezeti eleme a vad típusú zöld fluoreszcens fehérje (Green Fluorescence Protein, GFP) mutáns változatának (Enhanced GFP, EGFP) génje. A GFP egy hidrofób fehérje, amely kék fényt abszorbeálva zöld fényt emittál. A mutációk eredményeképpen az EGFP fluoreszcenciája intenzívebb, illetve emlős sejtekben is erősebben expresszálódik (21. ábra). A mérések során fluoreszcens mikroszkópot használtunk, így lehetőségünk nyílt a transzfektált sejtek és a kontroll sejtek elkülönítésére az EGFP fluoreszcenciája alapján. Noha a Kcv az EGFP-vel kovalensen kapcsolódott, számos mérés támasztja alá, hogy az EGFP nem zavarja a Kcv áramot. 49

50 21. ábra Egy Kcv-EGFP-vel transzfektált HEK293 sejtről készített konfokális mikroszkópos felvétel (Tobias Meckel). A vektor bejuttatásához a kalcium-foszfát precipitációs módszert alkalmaztuk (22. ábra). A módszer lényege, hogy a reakcióelegyben a plazmid a kalcium-foszfáttal koprecipitálódik; a precipitátumot a sejtek internalizálják. Az eljárás menetét a 22/B ábra mutatja. Ez a transzfekciós módszer tranziens, mert az idegen DNS stabil integrálódása a gazdasejt genomjába nem biztosított, ennek megfelelően a vektorról történő expresszió is tranziens. Céljainknak a tranziens expressziós rendszer több okból is megfelelt, mert egyszerűen kivitelezhető, és a patch clamp mérések lebonyolításához is elegendő ideig expresszálódik a csatorna. 50

51 22. ábra A transzfekció.(a) A Ca 3 (PO 4 ) 2 precipitáció elve. (B) A transzfekció menete és a szükséges oldatok (lásd még: Függelék). A kis Petri-csészékben transzfektált HEK293 sejtek a transzfekció után 36 órával váltak alkalmassá a patch clamp vizsgálatokhoz. 51

52 Patch clamp whole cell mérések HEK sejtek esetén A HEK293 sejtek patch clamp vizsgálatát whole cell elrendezésben végeztük, azaz a pipettahegy és a membrán közötti seal réteg kialakulása után a pipetta által körbezárt membránfoltot egy erőteljesebb szippantással beszakítottuk, így a membrán egész területén átfolyó ionáramokat regisztráltuk. A regisztrációhoz a Kcv áramokat az alábbi feszültség protokoll alkalmazásával indukáltuk. A -20 mv értékű holding potenciál után a membránpotenciált 1,5 másod-percig rögzítettük az ábrán látható teszt feszültségeken. Minden egyes rögzített értéket követően egy -80 mv értékű 200 ms időtartamú feszültségimpulzusra került sor (23. ábra). 23. ábra A mérésekhez használt feszültség-protokoll. Az áramjeleket 3 khz-en, 8 pólusú Bessel-szűrővel szűrtük, majd Digidata 1200-as D/A átalakítóval (Axon Instruments, Foster City, CA, USA) számítógépre rögzítettük. Adatrögzítéshez a pclamp 5.0 szoftvert, analízishez pedig a Clampfit 8.0 szoftvert (Axon Instruments, Foster City, CA, USA) használtunk. A méréseket szobahőmérsékleten végeztük. A patch clamp whole cell mérésekhez boroszilikát pipettákat használtunk (2-5 MΩ, Kimax 51, Kimble, Toledo, OH). A kísérletsorozat összes mérése során az alábbi összetételű pipetta töltőoldatot alkalmaztuk: 10 mm NaCl, 130 mm KCl, 1 mm EGTA, 5 mm HEPES-KOH, 0,5 mm MgCl 2, 2 mm ATP (Na sója), 0,1 mm GTP (Na sója) 5 mm foszfokreatin, ph = 7,2 (NaOH-dal). A feltöltéskor az oldatot 0,2 µm pórusméretű szűrőn átszűrtük, hogy nagyobb részecskék ne tömítsék el a pipettát. A ph beállítása mindkét esetben nátrium-hidroxiddal 52

53 és nem kálium-hidroxiddal történt, hogy mindegyik oldat kálium-koncentrációja pontos legyen. A Kcv csatorna extracelluláris ph-függésének vizsgálatához öt sejt fürdőoldatot állítottunk össze, melyek ph-értéke 5,5; 6,5; 7; 7,4; 8,5; összetételük egyéb tekintetben viszont azonos volt: 55 mm kolin-klorid, 1,8 mm CaCl 2, 1,0 mm MgCl 2, 5 mm HEPES/MES/PIPES/TAPS, 120 mm KCl (ph beállítás: NaOH-dal). Az intracelluláris phfüggés vizsgálatához két ph 6, illetve ph 7,4 értékű oldatpárt állítottunk össze. A párok kontroll tagja 30 mm NaCl-ot, míg a másik tagja 30 mm nátrium-acetátot (NaAc) tartalmazott. Az acetát egy része ph 6 értéken protonált állapotú, ezért képes bediffundálni a citoplazmába, ahol disszociál és csökkenti a ph-értéket. ph 7,4 értéken az acetát kisebb hányada marad protonálva, így a citoplazmát is kevésbé savanyítja. A sejt fürdőoldatának összetétele az intracelluláris ph-vizsgálathoz: 25 mm kolin-klorid, 1,8 mm CaCl 2, 1,0 mm MgCl 2, 5 mm HEPES, 120 mm KCl, 30 mm NaCl/Na-Ac, (ph 6/7,4; NaOH) volt. Az acetát által okozott intracelluláris ph-csökkenés mértékét nem határoztuk meg pontosan. A ph csökkentésére a nátrium-acetátos módszer azonban igen elterjedt (Tsai és mtsai., 1995; Hoth és mtsai., 2001), ezért a ph-csökkenés mértékének megállapításához más hasonló kísérletek szolgáltattak adatokat. Ezek szerint 30 mm acetát ph 7,4, illetve ph 6 értékű fürdőoldatokban három perc elteltével rendre legalább 0,1, illetve 0,4 ph-egységgel csökkenti a citoplazma ph-értékét (Lacombe és mtsai., 2000; Choe és mtsai., 1997). A mérések során az oldatokat perfúziós rendszer segítségével áramoltattuk. A berendezés mintegy három perc alatt teljesen kicserélte a Petri-csésze teljes térfogatát, anélkül, hogy a benne lévő sejtek folyadék nélkül maradtak volna, vagy a mérés során a seal ellenállása csökkent volna. 53

54 5. Eredmények és értékelésük 5.1. A mérések előzményei, problémafelvetés A sztómaműködés szabályozásának kezdeti vizsgálataiban az egészséges és az erősen degradálódó "babás" balatoni nádasok közti fiziológiai különbségek feltárását tűztük ki célul. A nád fragmentálódása általános jelenség, mellyel több EU program (EUREED I. és EUREED II.) is foglalkozott. A tudományos programok feltárták a nád genetikai diverzitását, ökofiziológiai és növekedési dinamikáját és számos környezeti tényezőt, amely ezt befolyásolhatja. Megállapították, hogy nincs egyetlen kitüntetett tényező sem, mely a fragmentálódásért egyedül lenne felelős (Brix, 1999). Munkánkban ezt szem előtt tartottuk, hiszen az elmúlt két évtizedben a fragmentálódó balatoni nádasokkal kapcsolatban is széleskörű vizsgálatokat folytattak (Salánki és Nemcsók, 1997; Salánki és Padisák, 1998, 1999). Az alkalmazott módszereink egyike a porométerrel történő sztómarezisztencia mérés volt. Úgy véltük, hogy a két, megjelenésében is élesen eltérő nádnövény sztómaregulációjában eltéréseket állapíthatunk meg. A mintavételi helyek kiválasztásánál törekedtünk arra, hogy a két nádpopuláció egymáshoz közel helyezkedjen el. A két év során több mint ezer adatot gyűjtöttünk, ezek kiértékelése után kiderült, hogy a babás nád sztómaműködése eltér az egészséges típusétól. Eredményeink az időben korábban bekövetkező káliumfüggő, és a később jelentkező szacharóz-függő sztómanyitódás közti egyensúly felborulására utaltak. A nád zárósejtek általunk bizonyított működési zavarainak mélyebb megértése további, elsősorban elektrofiziológiai méréseket igényelt, melyeket a patch clamp technikában általánosan használt modellnövényen a Vicia faba zárósejt protoplasztjain végeztünk Sztómarezisztencia meghatározás A sztómaműködést a levél adaxiális és az abaxiális felületén tanulmányoztuk. A sztómarezisztencia meghatározása előtt figyelembe kellett vennünk azt, hogy a levélfelszínek közti sztómasűrűségbeli eltérés miatt téves következtetéseket vonhatunk le a két felszín összehasonlításakor, ezért meghatároztuk a sztómák levélfelületre vonatkozó sűrűségét is. A területegységre eső átlagos sztómaszám megegyezett az egészséges és a 54

55 babás nádlevélnél. A sztómasűrűség az adaxiális felületen %-al kisebb volt mint az abaxiális felületen, a levél alapjától a csúcsig csökkenő tendenciát mutatott. Méréseink szerint a felső levélfelszín átlagos sztómaellenállása nagyobbnak adódott, arányaiban nem követte a területegységre eső sztómaszám alakulását (24. ábra). 24. ábra Egységnyi területre eső sztómaszám alakulása babás (A) és egészséges (B) nádlevél esetén. Jelölések: b a levél bázisa, k a levél középső területe, a a levél csúcsa. A mérés 3 egészséges és 3 babás növény sztómasűrűség átlagát mutatja (SD 5,09). A sztómaszámbeli eltérésből következő hiba tehát elhanyagolható. Az egészséges és babás nád sztómeregulációja közti eltérésre utalt, hogy míg a babás nád felső levélfelszíne "nyitottabb" volt, mint az alsó, ugyanabban az időben az egészségesnél fordított állapot tapasztalható. Az egészséges és a babás növények felső levélemeleteinek sztómarezisztenciáit az idő függvényében összehasonlítva megállapítottuk, hogy a babás 55